石墨烯抗菌性及其机制研究

It is an important means for prevention and treatment of infection and epidemic diseases (such as malaria, SARS and avian flu) induced-pathogenic microorganisms (eg. bacteria, viruses) to develop and applied new antimicrobial materials. Recently, graphene as an excellent antibacterial nanomaterial has attracted more attentions. In this project, we intend to study the antibacterial properties of graphene from aspects of nanoscale and macroscale for finding linkages between the physicochemical properties and antibacterial activity， and expounding the antibacterial mechanism of graphene. On the one hand, we plan to prepare the different phsicochemical properties of graphene nanosheet suspension via multiple oxidation and ultrasonic, to assess its antibacterial properties against planktonic bacteria and to explore its antibacterial mechanism from mechanical injure and oxidative damage. On the other hand, we plan to prepare graphene paper via vacuum filtration, and then accurately analyze how this graphene paper affect the formation of biofilm through confocal laser raman and quartz crystal microbalance to explain its antibaterial activity and mechanism. These results will provide a scientific evidence for the wide application of graphene in antibacterial field,and present a novel idea for comprehensive treatment of disease evoked by pathogenic microorganisms.

新型抗菌材料的开发和应用是预防和治疗病原微生物（如细菌、病毒）诱发的感染和烈性流行疾病（如疟疾、SARS、禽流感）的重要手段。近年来，石墨烯作为一种具有优异抗菌性能的纳米材料受到人们高度关注。本项目拟从纳米尺度和宏观尺度研究石墨烯的抗菌性，揭示石墨烯理化性质与其抗菌性之间的联系，阐明石墨烯的抗菌机制。一方面，拟通过多次氧化、超声的方法制备不同理化性质的纳米石墨烯悬液，评估其对浮游细菌的抗菌性，从机械损伤和氧化损伤两个角度探索其抗菌机理。另一方面，拟运用真空抽滤法制备宏观石墨烯纸，利用激光共聚焦拉曼和石英晶体微天平等技术实时、精确地分析石墨烯纸对细菌菌膜形成的影响，揭示石墨烯纸的抗菌性和机制。研究结果将为石墨烯在抗菌领域的广泛应用提供科学依据，并为病原微生物诱发疾病的综合治理提供新思路。

近年来，石墨烯作为一种具有优异抗菌性能的纳米材料受到人们高度关注。本项目系统研究了石墨烯材料的制备、理化性质、抗菌性及其抗菌机制，并探索了其在生物检测中的应用。课题取得的重要结果如下：1.我们通过改良Hummers法与多次氧化、超声结合制备了不同片层大小（～500nm, ～200nm,～40nm）的石墨烯氧化物（Graphene oxide, GO）。这种方法制备的GO是单层石墨烯，厚度为～1nm，；片层大小随着氧化次数增加而变小，表面的含氧基团、碳片层结构的缺陷却变多。2.在深入研究GO的抗菌性时，我们发现：三种GO均具有抑菌性，且GO抗菌性存在尺寸依赖性，GO越小，抗菌性越差；GO通过机械性损伤和氧化损伤两种方式破坏细菌细胞膜，导致其死亡。3.利用静电吸附的作用，我们建立了在酸蚀Ti基表面修饰GO膜的方法，但GO吸附量、稳定性和抗菌性尚不清楚。4.大片层GO不仅对浮游细菌有很好的杀伤效果，对细菌菌膜形成也存在显著的抑制作用；但这种抑制效应只出现在菌膜形成的初期，对进入成熟期的菌膜抑制作用甚微。这可能与GO是否与细菌直接接触有关。在菌膜形成初期，GO与细菌直接接触杀死或抑制细菌生长，进而抑制菌膜形成；在菌膜进入成熟期，菌膜形成稳定的三维结构，GO无法穿过这种结构的主要成分——细胞外基质(extracellular polymeric substances, EPS)与细菌直接接触，因而几乎不影响菌膜形成。5. 不同尺寸的GO对DNA分子表现了不同强弱的作用力，GO片层越小，作用力越弱。基于此，我们构建了具有动态范围可调的检测Hg2+的GO生物传感器。.本项目的成果不仅可以为石墨烯在抗菌领域的广泛应用提供科学依据，也为病原微生物诱发疾病的综合治理提供了新思路。在方法学方面，我们将激光共聚焦显微成像、透射电子显微成像、激光共聚焦拉曼等技术应用于纳米科技和生命科学研究的交叉领域，为深入理解石墨烯抗菌机制提供了精确定量和可视化的证据。