Оксид графена обладает антибактериальными свойствами

В 2004 году Андре Гейм (Geim A. K.) и Константин Новоселов из Манчестерского университета получили сверхпрочный плоский материал из углерода толщиной всего лишь в один атом -- графен. Для этого они разобрали графитовый «торт» по слоям.

Отделенные друг от друга «коржи» хрупкого вещества (графита) вызывают вполне объяснимый интерес среди физиков и химиков. Дело в том, что самый тонкий материал обладает уникальными электрическими, оптическими, механическими и термическим свойствами. Правда, использовать необычные свойства одноатомной пластинки углерода напрямую долго не получалось. Как, собственно, и получить ее в чистом виде. Без удерживающей подложки она слишком легко скручивается с образованием самых разных нанотрубок (их форма зависит от идеальности структуры плоскости).

Ученые уже исследовали возможности нанотрубок в работе транзисторов, солнечных батарей и сенсорных систем. Infox.ru писал о необычных термодинамиках, способных спрятать подлодку от вражеских радаров, ионных фильтрах и глюкометрах.

Есть и еще одна проблема -- торчащие из плоскости графена негибридизированные электроны, которые обычно связывают слои графена в графит. Практически невозможно получить поверхность графена без налипших на нее атомов других элементов.

Китайские ученые решили не преодолевать преграды, а использовать их в своих целях. Поэтому они изучали графен, лежащий на подложке, да еще и покрытый слоем атомов кислорода.

Черные бинты и пластыри

Исследователи из Шанхайского института прикладной физики (Shanhgai Institute of Applied Physics) изучали фармацевтические свойства бумаги на основе оксида графена. Ученые уверены, что результаты эксперимента позволяют создать новые антибактериальные материалы. Непривычные черные пластыри и бинты по своим свойствам будут превосходить современные антисептики. Ведь широко используемые антибактериальные материалы на основе антибиотиков, соединений аммония и ионов серебра и оксида титана пока не соответствуют желаемым нормам безопасности. Они подавляют рост не только патогенной, но и родственной микрофлоры человека. Более того, многие из них убивают не только бактерии, но и клетки млекопитающих.

Ученые из лаборатории физической биологии (Laboratory of Physical Biology) под руководством Ху Вэньбина (Wenbing Hu) обратили внимание на результаты экспериментов, проведенных в 2008-2010 годах исследователями из разных стран. Многие отмечали биосовместимость графеновой бумаги с животными клетками и возможность использовать оксид графена в качестве транспортировщика медикаментов к клеткам-мишеням.

«Это свойство заставило нас задуматься над тем, что из графена могут получиться прекрасные биоразлагаемые антисептики. Именно этому было посвящено наше исследование», -- пишут экспериментаторы в статье «Graphene-based antibacterial paper», опубликованной в журнале NANO американского химического сообщества (ACS).

Графеновая бумага

Графеновая бумага – химически модифицированная форма графена. Одноатомные углеродные слои переплетены, за счет чего сверхпрочный материал не становится хрупким. Перемещающиеся друг относительно друга углеродные решетки позволяют изгибать бумагу практически под любым углом.

Цитотоксичность

Исследователи проверили цитотоксичность двух типов бумаги – обыкновенной и восстановленной. Оба вида бумаги ученые получили одноступенчатым процессом вакуумной фильтрации. А также была проверена способность клеток млекопитающих поглощать графен на примере культуры клеток А549. С помощью электронного микроскопа ученые разглядели частички графеновой бумаги, заключенные в эндосомы (транспортирующие внутриклеточные органеллы). Это свидетельствует о том, что клетка усваивает графен, то есть соединение графена может быть и внутриклеточным антисептиком. Проанализировав работоспособность энергетического центра клетки (митохондрии), экспериментаторы пришли к выводу, что оксид графена не оказывает цитотоксического действия при двухчасовой инкубации в концентрации 20 мкг/л. Тем не менее при более продолжительной (24 часа) инкубации или увеличении концентрации оксида графена (85 мкг/л) учные заметили угнетение физиологических функций животных клеток.

Биологи провели цитометрический анализ и пришли к выводу, что бумага не вызывает смерть клеток. Изменение физиологических параметров клеток происходило из-за перестройки клеточного цикла, а не апоптоза. То есть на животные клетки оксид графена оказывает обратное токсическое воздействие.

Бумага на основе восстановленного оксида графена проявляла большие цитотоксические свойства. Интересно, что восстановленная графеновая бумага выглядела более «жизнерадостно» по сравнению с тусклой невостановленной бумагой. Но, как показали результаты эксперимента, красиво -- не значит полезно.

Антибактериальные свойства

Чтобы проверить антибактериальные свойства оксида графена, ученые проследили за колониями кишечной палочки (E.coli) в присутствии графеновой бумаги. После двух часов инкубации в среде, содержащей оксид графена (20 мкг/л), при температуре 37°С, метаболическая активность бактерии снизилась до 70%. Ученые увеличили концентрацию графена до 85 мкг/л, после чего физиологическая активность кишечной палочки упала до 13%. Более продолжительная инкубация убила 98,5% бактерий. Основываясь на этих данных, ученые пришли к выводу, что оксид графена обладает антисептическими свойствами. По словам исследователей, описанные свойства могут быть следствием окислительного клеточного стресса или нарушения метаболизма. Эти клеточные эффекты были описаны ранее на примере углеродных нанотрубок.

Восстановленный оксид графена оказался менее эффективным антисептиком. Однако ученые увидели, как он убивает кишечную палочку, разрывая мембрану клетки.

Исследователи пришли к выводу, что на основе графена можно разработать достаточно эффективные антисептические материалы, которые будут проявлять минимальные цитотоксические свойства. Более того, одноступенчатый процесс получения оксида графена позволит значительно снизить стоимость, а углеродная основа антисептиков -- решить проблему утилизации.