抗菌藥物或抗生素在醫療保健和農業養殖中的廣泛使用已導致環境中細菌耐藥性的出現和擴散，這將對人類健康構成一定的威脅。早在古代，銅就被認為是良好的抗菌材料，其離子和絡合物具有廣譜抗菌、抗真菌和抗病毒活性。但是，過量的銅離子也具有一定毒性，會對環境，特別是對水生環境造成不利影響。因此，如何在選擇性增強抗菌活性的同時，最大程度降低其對環境的危害，是改善人類和動物健康，并提高農業產量的一個至關重要的問題。

揚州大學涂育松教授、復旦大學譚硯文教授等人發現了通過Cu離子修飾的還原氧化石墨烯（rGO）能夠展示出選擇性的抗菌活性，而且修飾后的性能顯著高于本征rGO，比Cu離子高了兩個數量級，而且對哺乳動物細胞沒有毒性。通過Cu離子和石墨烯π鍵之間的相互作用，rGO能夠有效的吸附Cu離子，導致周圍環境中Cu離子的濃度極低（小于0.5 μM）。同時修飾在rGO上的Cu帶正電荷，能夠和帶負電的細菌細胞很好的結合，從而選擇性地實現抗菌效應。rGO能準確、快速地傳遞Cu離子并將其組裝到細菌細胞上，導致Cu離子的價態由+2還原為+1，增強了抗菌性能。此外，這種rGO-Cu復合材料展現出殺藻活性，且不會對電中性的哺乳動物細胞產生毒性。該研究以題為“Remarkable Antibacterial Activity of Reduced Graphene Oxide Functionalized by Copper Ions”的論文發表在《Advanced Functional Materials》上。

【rGO-Cu的顯著抗菌活性】

作者向硫酸銅溶液中添加了少量的rGO懸浮液（40 ?g/mL rGO和100 ?M CuSO4），菌落實驗結果表明該復合溶液具有出色的抗菌活性（圖1A），而rGO自身幾乎不提供抗菌效果。因此，rGO-Cu復合溶液比rGO溶液本身具有更強的抗菌活性。此外，rGO-Cu復合材料的抗菌活性至少比溶液中周圍銅離子的抗菌活性高220倍，提高了兩個數量級（圖1B）。作者測量了殘留在溶液中的銅離子，發現周圍銅離子的濃度非常低，低于約0.5 ?M，這表明rGO能夠強烈吸附銅離子并形成rGO-Cu復合材料，而不會對環境產生不利影響。

圖1 rGO-Cu的抗菌活性

【rGO-Cu的抗菌機制】

為了深入了解其固有的抗菌機制，作者進行了密度泛函理論（DFT）計算和分子動力學（MD）模擬。結果表明，rGO通過陽離子-π相互作用大量吸附銅離子，從而導致周圍銅的離子濃度極低（小于約0.5 ?m），極大地降低了對環境的副作用。rGO上的這些銅離子帶正電，并與帶負電的細菌細胞產生強烈的相互作用，從而能夠選擇性地實現抗菌活性。隨后作者結合場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和X射線光電子能譜儀（XPS）實驗，證實了該基于陽離子-π相互作用的rGO的固有廣譜抗菌物理機制。對于銅離子，rGO不僅可以增強銅離子的快速傳遞并將其大量組裝到細菌細胞上，還可以將銅離子的價態從Cu2 +變為Cu +，從而大大增強了其抗菌活性。

圖2 rGO與銅離子以及rGO-Cu之間的相互作用

圖3 rGO-Cu與細菌細胞膜的相互作用

【rGO-Cu的殺藻活性和細胞毒性】

除了殺菌活性，作者還驗證了rGO-Cu的殺藻活性。雙乙酸熒光素（FDA）分析結果表明（圖4A），rGO幾乎沒有藻類殺滅活性。相比之下，rGO-Cu樣品中僅觀察到一個FDA染色的活細胞，這表明該復合物的殺藻活性比rGO本身強得多，并且約為周圍銅離子的26倍（圖4B）。對于生物醫學應用而言，檢查rGO-Cu對哺乳動物細胞的細胞毒性至關重要。如圖4C、D所示，rGO、rGO-Cu對哺乳動物細胞（人胚腎293T）均無細胞毒性。雖然有研究表明高濃度的銅離子（> 103 ?M）能破壞哺乳動物細胞，但在這項研究中，盡管由于rGO對銅離子的強烈吸附而使rGO-Cu上的局部銅離子濃度很高，由于哺乳動物細胞通常是電中性的，rGO-Cu中的銅離子不會優先遞送并組裝到哺乳動物細胞上。

圖4 rGO-Cu的殺藻活性及其對哺乳動物細胞的細胞毒性

總結：該研究報道的rGO-Cu復合材料充分利用了細胞之間的電荷差異，從而實現了顯著的選擇性抗菌活性，同時避免了環境危害，這為具備高效和選擇性抗菌活性的材料設計提供了指導。此外，該rGO-Cu復合材料的抗菌和殺藻活性，及其固有的廣譜抗菌物理機制，使其有望成為新一代廉價、高效、廣譜、環保、易生產的抗菌試劑。