氧化石墨烯-银纳米颗粒纳米复合材料：高效抗菌抗真菌剂

摘要

具有杀菌纳米颗粒的表面改性材料为对抗多重耐药病原体提供了有前景的策略。本文报道一种用银纳米颗粒（Ag-NPs）装饰的氧化石墨烯（GO）纳米复合材料，其抗菌和抗真菌活性优于单一组分。采用超声涂覆法，在聚氨酯箔上分别固定 GO、Ag-NPs 或 GO-Ag 混合物。通过细胞形态、PrestoBlue 活性、乳酸脱氢酶（LDH）泄漏和活性氧（ROS）产生，评估对 Escherichia coli、Staphylococcus aureus、Staphylococcus epidermidis 和 Candida albicans 的功效。GO-Ag 复合材料对所有菌株实现 >88% 抑制，显著优于单独的 GO 或 Ag-NPs。

背景

抗生素虽历史上遏制细菌感染，但滥用加速了耐甲氧西林 S. aureus 和产广谱 β-内酰胺酶 E. coli 等多重耐药菌出现[1–3]。耐药性经水平基因转移扩散，迫切需要新型抗菌剂。纳米颗粒（NPs）具多重机制——膜破坏、金属离子释放、ROS 产生——共同阻碍耐药性发展[4–8]。其中银纳米颗粒（Ag-NPs）对 650 余种微生物有活性，但团聚限制表面积和效力[9–11]。氧化石墨烯（GO）是氧化、水溶性碳同素异形体，富含含氧官能团，可作为 Ag-NPs 稳定支架，潜在增强分散性和与微生物膜相互作用[12–14]。本研究评估 GO-Ag 纳米复合材料对代表性革兰氏阳性、阴性及真菌病原体的抗菌性能及机制基础。

方法

氧化石墨烯合成与表征

商业石墨（Acros Organics）经改良 Hummers 法[15]氧化。X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱、傅里叶变换红外（FT-IR）分析、动态光散射（DLS）提供结构、组成、尺寸数据。Zeta 电位测定评估胶体稳定性。

纳米复合涂层箔制备

聚氨酯箔（15×15×0.05 mm）浸入 GO（200 µg/mL）、Ag-NPs（100 µg/mL；HydroSilver1000）或 1:1 混合悬浮液。超声涂覆（20 kHz，60% 功率）10 min 得均匀层。扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）观察表面形貌。Owens-Wendt 法用水和二碘甲烷探针计算表面自由能（SFE）。

微生物培养与抗菌实验

临床菌株 E. coli（ATCC 25922）、S. aureus（ATCC 25923）、S. epidermidis（ATCC 14990）、C. albicans（90028）增殖至对数中期，接种于箔片（10⁶ CFU/mL）置于 Mueller-Hinton 琼脂。37 °C 24 h 后计菌落定量抑制率。

细胞活性、膜完整性与 ROS 评估

PrestoBlue™ 测定代谢活性；LDH 泄漏量化膜破坏；DCFDA 荧光检测细胞内 ROS。所有实验三重复。

结果

GO 和 Ag-NPs 理化性质

GO 显示高度无序晶格（I_D/I_G=1.15）和丰富含氧基（C=O、C–OH、C–O–C）。Ag-NPs 悬浮液中平均 80 nm，超声后因聚乙烯醇相互作用增至 ~218 nm。GO-Ag 混合物 zeta 电位约 –7 mV，显示中等胶体稳定性。

表面形貌与能量

SEM 显示 GO 形成连续片层涂层；Ag-NPs 形成颗粒网格；GO-Ag 复合材料兼具两者特征。AFM 确认 GO 片层附着于聚合物基底。GO 涂层箔将极性 SFE 从 2.3±0.6 提升至 68.9±2.8 mJ/m²，而 Ag-NPs 和 GO-Ag 涂层未显著改变 SFE。

抗菌功效

24 h 暴露后，GO-Ag 箔抑制率：E. coli 88.6%、S. aureus 79.6%、S. epidermidis 76.5%、C. albicans 77.5%。单独 GO 或 Ag-NPs 涂层抑制率 <20%。处理细胞 SEM 显示膜明显变形、菌落缩小。

膜完整性与 ROS 产生

LDH 泄漏率 GO-Ag 最高：E. coli 66.3%、S. aureus 59.4%、S. epidermidis 54.8%、C. albicans 48.5%，表明膜广泛受损。GO-Ag 和 Ag-NPs 箔 ROS 水平显著升高（p<0.05），GO 单独仅轻微提升 C. albicans ROS。

讨论

研究证实 GO 装饰 Ag-NPs 产生协同抗菌效应。双重机制——GO 边缘物理破坏和 Ag-NPs/Ag⁺ 离子化学攻击——导致膜快速渗透和氧化应激，压垮微生物防御系统[16–18]。对革兰氏阴性菌更优可能因其较薄肽聚糖层利于 NP 进入，革兰氏阳性菌因较厚细胞壁表现部分耐受。GO-Ag 纳米复合材料在超声处理下保持分散，解决了裸 Ag-NPs 团聚限制，保留生物活性表面积。

结论

GO-Ag 纳米复合材料展现强效、广谱抗菌活性，优于单独 GO 或 Ag-NPs。机制涉及膜破坏和 ROS 诱导氧化损伤。这些材料在医用纺织品、伤口敷料、表面涂层等多重耐药病原体构成威胁的领域极具应用前景。

缩写

AFM

原子力显微镜

Ag-NPs

银纳米颗粒

DLS

动态光散射

GO

氧化石墨烯

GO-Ag

氧化石墨烯装饰银纳米颗粒

LDE

激光多普勒电泳

LDH

乳酸脱氢酶

ROS

活性氧

SEM

扫描电镜

XRD

X 射线衍射