PNSMI 综述
用于细菌灭活的二维石墨炔纳米材料
全文导读
由致病菌和病毒引起的传染病对生态环境和人畜生命健康构成极大威胁。开发有效的细菌灭活技术和纳米材料来防止致病菌的入侵是研究人员追求的目标。碳材料具有良好的生物相容性、环境友好性和抗菌性能，在细菌灭活方面具有巨大的应用潜力。石墨炔(GDY)由于其独特的乙炔键、易于调节的电子结构、良好的生物相容性和类似过氧化物酶的特性，在生物学和抗菌领域受到了广泛的关注。本文介绍了GDY和GDY基纳米材料在细菌灭活领域的研究进展，包括原生GDY、氧化石墨烯(GDYO)、杂原子掺杂GDY、GDY基复合材料等，并讨论了GDY基纳米材料未来在生物医学和抗菌领域面临的机遇和挑战。
GDY及GDY基材料的细菌灭活应用
GDY
利用Cu (II)- N, N, N'， N' -四亚甲基乙二胺(Cu (II)- tmeda)作为高效催化剂，利用水凝胶上构建的超扩散液/液界面，可以快速、可控地合成GDY膜。此膜具有优异的光热转化效率，还能诱导水凝胶释放Cu (II)离子，并具有高效的协同抗菌效果。
GDYO
据报道，利用简单的表面氧化修饰GDY表面，可提高了GDY的亲水性和抗菌活性。以H2O2/H2SO4作为氧化剂，通过表面氧化合成GDYO，从而调节GDY表面的亲水性基团。GDYO优异的抗菌活性如图：
(1)在细菌系统中具有优异的分散性;(2) GDYO与细菌直接接触;(3) ROS(·OH，·O2-，和1O2，和H2O2)依赖的氧化应激。ROS依赖的氧化应激被认为是最关键的因素。单一的抗菌机制可能不足以使GDYO成为有效的杀菌材料，因为三种因素相互作用。由于这些不同的作用机制，GDYO表现出优异的抗菌活性，表明惰性GDY的表面氧化使其具有优异的抗菌性能。
杂原子Doped-GDY
将包括B和S元素在内的各种杂原子掺入GDY中也可作为无金属抗菌材料。报道了水热法合成了掺杂B的GDY，具有极高的催化活性，通过促进H2O2分解生成羟基(·OH)和超氧化物(·O2-)等活性氧，大大提高了对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的杀菌效果。以Na2S·9H2O盐为S源，通过水热法将S原子引入GDY中。S-GDY厚度为1.8 nm，约有5个GDY碳层。超声治疗30 min后，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的清除率均>99.9%。
B掺杂导致GDY表面出现更活跃的B缺陷位点，促进H2O2分解，Gibbs自由能降低（图a-c）;S的掺杂使GDY的带隙最小化，调整了GDY的电荷分布，并增加了活性位点的密度，从而产生了显著的过氧化物酶活性。(图d-e)
金属纳米颗粒或离子/GDY
热疗法和光动力疗法因其毒性低、选择性好、重复性好等优点，已成为一种很有前途的抗菌感染治疗方法。GDY具有从可见光到近红外光较宽的吸收范围和良好的光热转换能力，具有广泛的应用前景。
图a 报道了制备的生物相容的AuAg/GDY@PEG显示广谱抗菌活性，杀伤率>99.999%；图b 报道了利用GDY的三角形孔和乙炔键结构成功制备出纳米银/GDY (Ag/GDY)，在灭活大肠杆菌方面表现出优异的活性。图c 水热法制备的纳米酶钯铁纳米结构修饰的GDY纳米片(PdFe/GDY)，通过类似过氧化物酶的机制，有效催化H2O2分解生成·OH(图d)。PdFe/GDY纳米酶能消耗谷胱甘肽对细菌消毒，杀灭率达99.99%，并能有效促进伤口愈合(图e)，在体内和体外均无明显的生物毒性。这有助于构建基于GDY的纳米酶用于临床诊断和细菌灭活。
金属氧化物或硫化物/GDY
GDY可与氧化铜、氧化钛等金属氧化物结合，构建高效的金属氧化物/GDY复合抗菌材料。
铜基纳米材料是一种典型的无机抗菌材料，与其他抗菌材料相比，成本较低，无二次污染。以Cu(NO3)2·3H2O为前驱盐制备的CuO/GDY，抑菌活性分别是空白GDY和商品CuO的19倍和7.9倍。CuO/GDY表面产生的大量活性超氧化物是其抗菌活性显著提高的原因(图a)；图b 报道了以Cu2O为衬底，经硫化和蚀刻后，通过原位生长GDY获得GDY包覆空心立方体(Cu/GDY)纳米材料。异质结构CuS/GDY表现出显著的抗菌活性，10 min内细菌灭活率>99.999%。
进展与总结
GDY的共轭杂化结构使其具有独特且易于调谐的电子性能，表现出优异的物理和化学性能。在实际应用中面临的挑战有：
(1)为满足实际应用的需要，需要开发低成本、宏观的GDY合成方法;
(2)急需大面积、单晶高质量的GDY，其单体偶联反应中不可避免出现部分无序偶联;
(3)在失活过程中，需要开发实时和原位表征技术，这有利于了解GDY基材料对细菌的靶向位点和作用机制;
(4)明确ROS的产生、机制及其在细菌灭活过程中的作用，有助于理解GDY基材料的氧化应激途径;
(5)集成智能检测、细菌灭活设备的设计与应用可能是GDY基纳米材料未来的发展趋势。
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https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.01.008
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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