近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯會破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜并“殺死”細(xì)菌，但石墨烯破壞細(xì)胞膜的機理和途徑尚未破解。北京時間
周如鴻作為浙江大學(xué)思源講座教授、IBM沃森研究中心高級研究員、哥倫比亞大學(xué)兼職教授，聯(lián)合上海大學(xué)、中科院上海應(yīng)用物理研究所、IBM沃森研究中心、浙江大學(xué)等單位的研究人員，開展了揭示石墨烯破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的機制的研究。我院工程力學(xué)系、軟物質(zhì)科學(xué)研究中心并列該論文的通訊單位；我院工程力學(xué)系講師修鵬亦作為主要作者之一，全程參與了該文章的計算機模擬、理論分析和論文寫作。
石墨烯作為一種新型的二維超薄納米材料，以其獨特的結(jié)構(gòu)、力學(xué)和電子性質(zhì)，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
磷脂分子是組成細(xì)菌細(xì)胞膜的基本成分，它起著保護細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，阻擋外界傷害該細(xì)胞的作用。研究人員通過計算機模擬結(jié)合電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石墨烯接觸到細(xì)菌的細(xì)胞膜后，能誘導(dǎo)細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子脫離細(xì)胞膜并“攀爬”上石墨烯表面。基于分子動力學(xué)模擬的理論分析揭示出，石墨烯獨特的二維結(jié)構(gòu)使其可以與細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子發(fā)生很強的色散相互作用，從而實現(xiàn)石墨烯對細(xì)胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取。這樣，石墨烯通過物理作用殺死細(xì)菌，為開發(fā)新型抗耐藥的“綠色”抗生素提供了可能，如研制以石墨烯和氧化石墨烯為原料的新型“石墨烯創(chuàng)可貼”等。
需要指出的是，哺乳類動物比如人類都具有血液循環(huán)系統(tǒng)，內(nèi)含豐富的血清蛋白，它們可以和石墨烯形成“蛋白外包體”，從而阻止石墨烯直接傷害到人體細(xì)胞膜；而細(xì)菌細(xì)胞膜則因為沒有“保護者”，所以容易被石墨烯“殺死”。
目前，本研究通過理論預(yù)測與實驗驗證相結(jié)合的方式，為進一步開發(fā)沒有耐藥性的抗生素提供了極其關(guān)鍵的分子機制，同時也為設(shè)計具有更好生物兼容性的石墨烯提供了理論基礎(chǔ)。據(jù)悉，科學(xué)家已經(jīng)在開始測試這個“石墨烯創(chuàng)可貼”的想法，并成功制備了耐清洗和具有長時間抗菌能力的石墨烯棉布。當(dāng)然它對人體可能潛在的副作用還需要更進一步的研究。
圖為計算機模擬結(jié)合電子顯微技術(shù)呈現(xiàn)的石墨烯破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的過程
