抗菌药物或抗生素在医疗保健和农业养殖中的广泛使用已导致环境中细菌耐药性的出现和扩散，这将对人类健康构成一定的威胁。早在古代，铜就被认为是良好的抗菌材料，其离子和络合物具有广谱抗菌、抗真菌和抗病毒活性。但是，过量的铜离子也具有一定毒性，会对环境，特别是对水生环境造成不利影响。因此，如何在选择性增强抗菌活性的同时，最大程度降低其对环境的危害，是改善人类和动物健康，并提高农业产量的一个至关重要的问题。
扬州大学涂育松教授、复旦大学谭砚文教授等人发现了通过Cu离子修饰的还原氧化石墨烯（rGO）能够展示出选择性的抗菌活性，而且修饰后的性能显著高于本征rGO，比Cu离子高了两个数量级，而且对哺乳动物细胞没有毒性。通过Cu离子和石墨烯π键之间的相互作用，rGO能够有效的吸附Cu离子，导致周围环境中Cu离子的浓度极低（小于0.5 μM）。同时修饰在rGO上的Cu带正电荷，能够和带负电的细菌细胞很好的结合，从而选择性地实现抗菌效应。rGO能准确、快速地传递Cu离子并将其组装到细菌细胞上，导致Cu离子的价态由+2还原为+1，增强了抗菌性能。此外，这种rGO-Cu复合材料展现出杀藻活性，且不会对电中性的哺乳动物细胞产生毒性。该研究以题为“Remarkable Antibacterial Activity of Reduced Graphene Oxide Functionalized by Copper Ions”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上。
【rGO-Cu的显著抗菌活性】
作者向硫酸铜溶液中添加了少量的rGO悬浮液（40 µg/mL rGO和100 µM CuSO4），菌落实验结果表明该复合溶液具有出色的抗菌活性（图1A），而rGO自身几乎不提供抗菌效果。因此，rGO-Cu复合溶液比rGO溶液本身具有更强的抗菌活性。此外，rGO-Cu复合材料的抗菌活性至少比溶液中周围铜离子的抗菌活性高220倍，提高了两个数量级（图1B）。作者测量了残留在溶液中的铜离子，发现周围铜离子的浓度非常低，低于约0.5 µM，这表明rGO能够强烈吸附铜离子并形成rGO-Cu复合材料，而不会对环境产生不利影响。
图1 rGO-Cu的抗菌活性
【rGO-Cu的抗菌机制】
为了深入了解其固有的抗菌机制，作者进行了密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。结果表明，rGO通过阳离子-π相互作用大量吸附铜离子，从而导致周围铜的离子浓度极低（小于约0.5 µm），极大地降低了对环境的副作用。rGO上的这些铜离子带正电，并与带负电的细菌细胞产生强烈的相互作用，从而能够选择性地实现抗菌活性。随后作者结合场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）实验，证实了该基于阳离子-π相互作用的rGO的固有广谱抗菌物理机制。对于铜离子，rGO不仅可以增强铜离子的快速传递并将其大量组装到细菌细胞上，还可以将铜离子的价态从Cu2 +变为Cu +，从而大大增强了其抗菌活性。
图2 rGO与铜离子及rGO-Cu之间的相互作用
图3 rGO-Cu与细菌细胞膜的相互作用
【rGO-Cu的杀藻活性和细胞毒性】
除了杀菌活性，作者还验证了rGO-Cu的杀藻活性。双乙酸荧光素（FDA）分析结果表明（图4A），rGO几乎没有藻类杀灭活性。相比之下，rGO-Cu样品中仅观察到一个FDA染色的活细胞，这表明该复合物的杀藻活性比rGO本身强得多，并且约为周围铜离子的26倍（图4B）。对于生物医学应用而言，检查rGO-Cu对哺乳动物细胞的细胞毒性至关重要。如图4C、D所示，rGO、rGO-Cu对哺乳动物细胞（人胚肾293T）均无细胞毒性。虽然有研究表明高浓度的铜离子（> 103 µM）能破坏哺乳动物细胞，但在这项研究中，尽管由于rGO对铜离子的强烈吸附而使rGO-Cu上的局部铜离子浓度很高，由于哺乳动物细胞通常是电中性的，rGO-Cu中的铜离子不会优先递送并组装到哺乳动物细胞上。
图4 rGO-Cu的杀藻活性及其对哺乳动物细胞的细胞毒性
总结：该研究报道的rGO-Cu复合材料充分利用了细胞之间的电荷差异，从而实现了显著的选择性抗菌活性，同时避免了环境危害，这为具备高效和选择性抗菌活性的材料设计提供了指导。此外，该rGO-Cu复合材料的抗菌和杀藻活性，及其固有的广谱抗菌物理机制，使其有望成为新一代廉价、高效、广谱、环保、易生产的抗菌试剂。
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