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科学家发现石墨烯“杀死”细菌的真相

石墨烯抗菌研究成果在《自然·纳米科技》发表

发布时间:2013-07-09来源:浙大新闻办作者:潘怡蒙浏览次数:41883


    图为计算机模拟结合电子显微技术呈现的石墨烯破坏细菌细胞膜的过程
    
    
近年来,科学家发现石墨烯会破坏细菌的细胞膜并“杀死”细菌,但石墨烯破坏细胞膜的机理和途径尚未破解。北京时间7月8日凌晨一点,国际纳米科技领域的顶级期刊——《自然·纳米科技》在线发布了一项由浙大软物质科学研究中心思源讲座教授周如鸿领衔的合作团队完成的科研成果(http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.125.html),揭示了石墨烯破坏细菌细胞膜的机制。
    
    周如鸿作为浙江大学思源讲座教授、IBM沃森研究中心高级研究员、哥伦比亚大学兼职教授,联合上海大学、中科院上海应用物理研究所、IBM沃森研究中心、浙江大学等单位的研究人员,开展了揭示石墨烯破坏细菌细胞膜的机制的研究,浙江大学工程力学系青年教师修鹏参与了联合研究。
    
    石墨烯作为一种新型的二维超薄纳米材料,以其独特的结构、力学和电子性质,在药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。
    
    磷脂分子是组成细菌细胞膜的基本成分,它起着保护细胞质和细胞核,阻挡外界伤害该细胞的作用。研究人员通过计算机模拟结合电子显微镜技术发现,当石墨烯接触到细菌的细胞膜后,能诱导细菌细胞膜上的磷脂分子“移情别恋”——脱离细胞膜并“攀爬”上石墨烯表面。基于分子动力学模拟的理论分析揭示出,石墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷脂分子发生很强的色散相互作用,从而实现石墨烯对细胞膜上磷脂分子的大规模直接抽取。这样,石墨烯通过物理作用杀死细菌,为开发新型抗耐药的“绿色”抗生素提供了可能,如研制以石墨烯和氧化石墨烯为原料的新型“石墨烯创可贴”等。
    
    需要指出的是,哺乳类动物比如人类都具有血液循环系统,内含丰富的血清蛋白,它们可以和石墨烯形成“蛋白外包体”,从而阻止石墨烯直接伤害到人体细胞膜;而细菌细胞膜则因为没有“保护者”,所以容易被石墨烯“杀死”。
    
    目前,本研究通过理论预测与实验验证相结合的方式,为进一步开发没有耐药性的抗生素提供了极其关键的分子机制,同时也为设计具有更好生物兼容性的石墨烯提供了理论基础。据悉,科学家已经在开始测试这个“石墨烯创可贴”的想法,并成功制备了耐清洗和具有长时间抗菌能力的石墨烯棉布。当然它对人体可能潜在的副作用还需要更进一步的研究。
    
    (潘怡蒙)