近日，國家納米科學中心的宮建茹課題組在國際知名期刊Advanced Materials上發表了抗菌碳納米材料的專題綜述“Antibacterial Carbon-Based Nanomaterials”（Adv. Mater. 2018, 1804838），系統地介紹了該研究方向近年來的重要進展。

目前，由于細菌耐藥性的廣泛出現和迅速傳播，現有的可對抗耐藥性細菌的抗生素種類極其有限，新型抗生素的開發進度緩慢，細菌感染再次被列為影響全球人類健康的重要因素之一。與傳統的抗生素不同，納米材料具有較強的跨膜能力、抑制外排泵的功能和不易誘發細菌耐藥性的特點，有望成為一種新型抗生素替代品。其中，碳納米材料具有高效的抗菌活性、良好的生物相容性和環境友好等特征，展現出巨大的抗菌應用潛力。據此，該綜述系統介紹了碳納米材料的重要理化性質，主要抗菌機制，其理化因素與抗菌機理的密切關聯，以及發展抗菌碳納米材料的挑戰和前景。

碳納米材料的主要理化性質及其抗菌機制

碳納米材料能夠通過多種機制實現抗菌或殺菌作用，其中包括：細菌細胞壁/細胞膜的機械性損傷、細菌的氧化應激（活性氧依賴和活性氧不依賴兩種）、光熱和光催化效應（如利用具有良好光催化性能的氮化碳納米材料，Nano Lett. 2018, 18, 5954）、脂質抽提、細菌代謝抑制、包裹隔離及其協同作用。此外，這些作用機制和碳納米材料的理化性質密切相關，如碳納米材料的維度決定了與細菌的作用方式，進而可能影響其主要的抗菌作用機制。文章討論了零維的富勒烯、納米金剛石、碳點和石墨烯量子點，一維的單壁碳管和多壁碳管，二維的碳化氮、石墨烯及其衍生物的抗菌活性和抗菌機制。除維度外，碳納米材料的尺寸、形狀、片層數及表面功能化等方面的理化性質也與其抗菌活性息息相關。例如，石墨烯量子點經不同手性氨基酸功能化后表現出明顯不同的抗菌活性。研究發現，D-型谷氨酸修飾的石墨烯量子點能夠同細菌細胞壁合成中所必需的MurD連接酶高效結合，通過改變該酶的結構影響其酶活性，從而導致細菌細胞壁合成受阻，以達到抗菌目的；相比之下，L-型谷氨酸修飾的石墨烯量子點與MurD結合力較弱，不會對MurD的蛋白結構和酶活性造成影響，幾乎沒有明顯的抗菌活性。兩種手性石墨烯量子點和MurD結合作用的分子動力學理論分析結果表明D-型谷氨酸修飾的石墨烯量子點與MurD之間的范德華力和氫鍵作用顯著強于L-型谷氨酸修飾的石墨烯量子點，因此導致抗菌活性的差異（Adv. Healthcare Mater. 2017, 6, 1601011）。

手性石墨烯量子點的抗菌活性和抗菌機制

雖然目前發現了大量的抗菌碳納米材料，但是在將其轉化到實際應用的過程中仍面臨諸多問題：大規模制備方法的匱乏，材料在細菌中的定位不明確（可能會對抗菌機制的研究造成阻礙），大多數材料的選擇性抗菌活性不好。該課題組的前期研究發現，氮摻雜石墨烯量子點具有優異的雙光子熒光性能（Nano Lett. 2013, 13, 2436），動物水平的毒理學研究表明該材料具有良好的生物相容性（Toxicol. Res. 2015, 4, 270）。借助雙光子熒光等技術，能更準確地獲得碳納米材料的細菌定位信息，有助于抗菌機制的分析。此外，將氮摻雜石墨烯量子點和傳統的光敏劑結合可實現雙光子光動力學反應（Chem. Commun. 2018, 54, 715），產生活性氧可用于抗菌。雖然抗菌碳納米材料的發展面臨種種問題與挑戰，通過借鑒碳納米材料在其它領域尤其是材料合成和生物醫學領域積累的科研成果，碳納米材料在抗菌應用方面存在著廣闊的發展前景與實際應用價值。