氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）与石墨烯纳米片（GNPs）的抗菌机制及其对聚合物基牙科材料的启示：结构—性能—生物响应关系综述

《Nanomaterials》：A Review of Antimicrobial Mechanisms of Graphene Oxide, Reduced Graphene Oxide, and Graphene Nanoplatelets: Implications for Polymer-Based Dental Materials

　　

石墨烯基材料，包括氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）和石墨烯纳米片（GNPs），具有相对较大的比表面积和可调控的表面化学性质，可介导多样化的生物相互作用。这些相互作用取决于含氧官能团、氧化程度、横向尺寸和表面电荷。在牙科材料中，这些特性支持将石墨烯基材料引入聚合物基质，以减少微生物黏附、抑制生物膜形成并限制感染相关降解。本综述批判性评价GO、rGO和GNPs在聚合物基牙科材料中的应用，重点关注结构—性能—生物响应关系及抗微生物性能。现有证据表明，GO表现出最一致的抗菌和抗真菌活性，主要归因于其高密度官能团和亲水性。相反，rGO和GNPs表现出更易变或中等的抗微生物效应，通常需要表面改性、优化的复合材料设计或更高的材料负载量。本文还讨论了影响临床应用的关键局限性。若干生物学效应具有浓度依赖性，包括人细胞毒性、宿主酶相互作用、潜在免疫反应、长期生物相容性以及口腔条件下的稳定性。通过整合不同石墨烯基材料的机制认识，本综述阐明其在聚合物牙科应用中的潜力和当前局限，并明确支持从实验室规模研究向临床和产业化实施策略转化的优先事项。

1. 引言（Introduction）
本综述指出口腔微生物黏附与生物膜形成可导致继发龋、修复体失败、种植体周病及慢性口腔炎症。石墨烯基材料因比表面积较大、表面化学可调及可功能化而受到关注；与抗生素、常规抗微生物剂、金属基纳米材料、天然化合物及金属有机框架（MOFs）等策略相比，其可作为聚合物基牙科材料的功能添加剂。文章将“石墨烯基材料”限定为GO、rGO和GNPs，强调抗菌行为受合成方法、氧化程度、横向尺寸、表面官能团、浓度、分散状态及暴露条件影响，不能将不同衍生物视为均一类。综述旨在比较三者理化特性、抗菌与抗真菌活性及机制，并评估其在聚合物基牙科材料中的相关性、局限及转化优先级。

2. 石墨烯基材料：结构、理化性质与抗菌作用机制（Graphene-Based Material: Structure, Physicochemical Properties and Antimicrobial Mechanisms of Action）
石墨烯为二维六方蜂窝晶格碳纳米片。GO含氧官能团丰富，亲水性和可功能化程度较高；rGO氧含量较低、石墨结构部分恢复、导电性较高但亲水性降低；GNPs为少层石墨烯堆叠，横向尺寸大，机械强度、热稳定性和导电性较好。GO可通过物理膜破坏、活性氧（ROS）相关氧化损伤、干扰细胞或代谢过程、基因表达、酶活性及群体感应等发挥作用，并可通过硬软酸碱（HSAB）框架、电子供体—受体（EDA）相互作用及界面电荷转移影响生物界面。rGO因sp²碳域部分恢复，π电子密度增加、极性降低，机制更偏向疏水接触、π–π相互作用和膜相关作用。GNPs含氧基团较少，氧介导的HSAB及表面氧化还原相关EDA作用降低，但比表面积和层状形貌仍可导致中等抗菌活性，常需功能化或杂化复合。文章强调机制依赖粒径、氧化程度、聚集、表面功能化和剂量，不能外推至所有体系。聚合物选择需考虑表面化学：PVA（聚乙烯醇）、壳聚糖、PEG（聚乙二醇）等亲水性聚合物与GO相容性较好，疏水性聚合物可能更适合rGO或GNPs；表面涂层或本体嵌入影响分散、功能化和界面作用。XPS（X射线光电子能谱）用于评估碳键合状态及含氧官能团，有助于解释表面化学与生物分子及微生物细胞包膜的相互作用。

3. 石墨烯基材料的抗微生物活性（Antimicrobial Activity of Graphene-Based Materials）
概述GO、rGO和GNPs对细菌、真菌等的作用，但聚焦牙科相关细菌和真菌。抗菌与抗真菌响应受表面功能化、粒径和氧化程度调控。

3.1. 石墨烯基材料的抗菌活性（Antibacterial Activity of Graphene-Based Materials）
牙科龋病与产酸菌及口腔生物膜相关，GO和rGO对变形链球菌（Strep. mutans）等关键菌的抗菌潜力已在多项实验研究中显示，部分体外试验中菌落形成单位（CFU）降低可达约98%。

3.1.1. GO基复合材料对Strep. mutans的抗菌性能及再矿化/保护效应（Antibacterial Performance and Remineralization/Protective Effects of GO-Based Composites Against Strep. mutans）
功能化GO可在牙本质表面形成稳定聚合物修饰涂层，作为“矿物屏障”限制酸扩散、补偿矿物丢失并支持再矿化。研究合成GO–Ag、GO–Ag–CaF₂、GO–CaF₂、GO–Zn和GO–Ca₃(PO₄)₂，评估对Strep. mutans的抗菌活性、牙本质小管封闭、牙色影响及细胞毒性。GO–Ag和GO–Ag–CaF₂的CFU降低最明显，GO–Ag–CaF₂约达98%，超过银氨氟（Saforide），但引起轻度黄色变色；GO–CaF₂、GO–Zn和GO–Ca₃(PO₄)₂降低幅度较低且更依赖浓度，但不明显改变颜色。经EDTA（乙二胺四乙酸）和柠檬酸盐缓冲液处理后，SEM（扫描电子显微镜）显示GO–Ag、GO–Ag–CaF₂、GO–CaF₂和GO–Ca₃(PO₄)₂涂层较连续并维持小管封闭，GO–Zn稳定性较差；Saforide处理后可见较多开放小管和粗糙表面。XTT检测显示GO–Ag、GO–Ag–CaF₂和GO–Zn在高浓度下降低细菌代谢活性，纯GO和GO–CaF₂抑制较有限。低浓度细胞毒性低，0.1%（w/v）时出现轻度细胞毒性；作者强调需体内研究验证。

3.1.2. GNPs与PMMA树脂组合增强对Strep. mutans的抗菌活性（Enhancement in Polymethyl Methacrylate (PMMA) Resin Antibacterial Activity by Combination with GNPs Targeting Strep. mutans）
GNPs以0.01%、0.1%、0.25%和0.5%（wt）加入PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），3D（三维）打印复合材料暴露于Strep. mutans 24和48 h。48 h时0.01%、0.1%和0.25% GNPs组CFU明显降低，从对照约12.8 log₁₀ CFU/mL降至约7.8、8.2和7.9 log₁₀ CFU/mL；24 h仅0.5%（wt）组显著抑制，提示浓度和时间依赖。表面粗糙度（Ra）随GNP负载增加从1.10 μm升至0.25–0.5%（w/w）组的1.80–1.90 μm，但Strep. mutans生物膜仍显著减少，说明GNP抗菌活性足以抵消粗糙度增加可能带来的黏附增加。作者指出需评估高浓度GNP的人细胞毒性。

3.1.3. rGO改性丙烯酸树脂对口腔细菌的抗菌活性增强（Enhancement in Antibacterial Activity of rGO-Modified Acrylic Resins Against Oral Bacteria）
rGO以0%、0.5%、1%、3%（w/w）加入自凝和热凝丙烯酸树脂，测试Strep. mutans、金黄色葡萄球菌（Staph. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa），采用CFU、XTT和SEM。0.5%（w/w）rGO自凝树脂使Strep. mutans CFU从6.69±0.33 log₁₀ CFU/mL降至5.83±0.57 log₁₀ CFU/mL，XTT吸光度约从2.0降至0.8（490 nm）。Staph. aureus呈中等且不一致降低；P. aeruginosa无有意义降低，3% rGO时自凝和热凝树脂CFU反而略升至8.45±0.30和8.45±0.21 log₁₀ CFU/mL，提示rGO对高耐药革兰阴性菌作用有限，需优化配方或联合其他抗微生物剂以扩大谱。

3.2. 石墨烯基材料的抗真菌活性（Antifungal Activity by Graphene-Based Materials）
口腔生物膜中产酸菌可促进真菌生长，GO和rGO对白色念珠菌（C. albicans）的抗真菌潜力已在不同实验研究中显示。

3.2.1. rGO改性丙烯酸树脂对C. albicans的抗真菌活性增强（Enhancement in Antifungal Activity of rGO-Modified Acrylic Resins Against C. albicans）
rGO以0%、0.5%、1%、3%（w/w）加入自凝和热凝丙烯酸树脂，采用CFU、XTT和SEM评估C. albicans。0.5%（w/w）rGO组显示中等生长和代谢活性降低，但不同浓度结果不一致。作者建议未来用不同树脂类型评估抗真菌活性是否依赖树脂类型。

3.2.2. GNP改性PMMA对C. albicans的抗真菌活性增强（Enhancement in Antifungal Activity of GNP-Modified PMMA Against C. albicans）
GNPs以0.01%、0.1%、0.25%和0.5%（wt）加入3D打印PMMA，暴露C. albicans 24和48 h。所有浓度和时间点均使C. albicans生物膜降至约1.08–1.67 log₁₀ CFU/mL（对照1.77 log₁₀ CFU/mL），各浓度间无显著差异，提示低GNP浓度即可获得有效抗真菌性能，并可能降低细胞毒性风险。

3.2.3. GO与氟康唑联合增强对C. albicans的抗真菌活性（Enhancement in Fluconazole Antifungal Activity Against C. albicans Through the Combined Application with GO）
唑类耐药与ERG11基因过表达或点突变导致氟康唑（Flu）靶酶羊毛甾醇14α-脱甲基酶改变、结合亲和力下降有关。GO可与Flu协同：GO破坏细胞膜、诱导氧化应激、抑制生物膜形成，并可能增强药物摄取、恢复耐药株敏感性。GO/Flu纳米复合物显著降低耐药C. albicans（ATCC 10231）活力，优于单用Flu；在PBS（磷酸盐缓冲液，pH 7.4）中缓释Flu，有利于维持治疗浓度并降低细胞毒性。MTT检测显示GO/Flu对人SW480结直肠细胞系呈剂量依赖性活力降低，但毒性显著低于单用GO或Flu；GO/Flu还降低C. albicans对SW480细胞的黏附，并诱导更强DNA降解。虽未嵌入聚合物基质，但提示可用于水凝胶、丙烯酸树脂或软衬材料等牙科聚合物，以预防义齿性口炎或复发性口腔念珠菌病。

3.3. 石墨烯基材料的安全性考虑：人细胞毒性、生物相互作用与生物相容性（Safety Considerations of Graphene-Based Materials: Human Cytotoxicity, Biological Interactions and Biocompatibility）
GO、rGO和GNPs的体外生物相容性、广谱抗微生物活性及可调理化性质支持其用于聚合物基药物递送、创面愈合支架和牙科组织工程材料，但性质与生物效应受合成方法、氧化/还原程度、片层尺寸及表面功能化影响。职业暴露与操作风险、患者细胞毒性、尺寸/形貌、浓度、比表面积、类型、功能化策略、导电性、暴露时间、氧化应激调控、热/光照射及组织相容性均影响毒性。GO常加入PLGA（聚乳酸-羟基乙酸共聚物）和PVA等聚合物以改善强度、降解和药物释放；牙科中探索抗菌涂层、修复材料和薄膜屏障。MTT显示低剂量功能化GO细胞毒性可忽略，0.1%（w/v）时GO–Ag–CaF₂使细胞活力降至约85%。rGO导电性和机械稳定性较好，但常需较高浓度或功能化，需评估细胞毒性，适合电活性支架和植入物涂层。GNPs可增强热/结构稳定性，生物活性中等，可通过表面改性或与其他抗微生物剂共递送增强。

3.3.1. GO、rGO和GNPs与人酶的相互作用（GO, rGO, and GNPs Interactions with Human Enzymes）
石墨烯基材料的高比表面积和反应性可吸附或结合酶，既影响微生物代谢也可影响人体生理过程；GO可能螯合辅因子或竞争活性位点，rGO和GNPs作用通常较弱。聚合物包封可限制直接暴露，表面化学和复合材料设计（负载量、分散状态、界面黏附、聚合物基质理化性质）对生物安全优化关键。

3.3.2. GO、rGO和GNPs的排泄与长期生物命运（GO, rGO, and GNPs Excretion and Long-Term Biological Fate）
其排泄途径和长期生物分布仍表征不足，是否经肾/肝清除或组织累积尚不明确；持续累积可能与慢性炎症、器官毒性或免疫失调有关，牙科植入涂层、义齿衬里或聚合物修复材料的连续/重复暴露尤其相关。GO在6.25 μg/mL未影响红细胞形态，但GO和rGO可能因纳米尺寸和表面反应性促氧化应激或炎症；GNPs虽较难深层穿透，仍需长期安全评估。黏膜暴露或临床操作中气溶胶颗粒可能引起超敏反应，需比较毒理学研究明确免疫特征和重要器官累积风险。

4. 结论与未来展望（Conclusions and Future Perspectives）
本综述指出石墨烯基材料在聚合物基质中的抗微生物性能仍缺乏全面比较，合成方法、理化性质和实验条件差异限制解释与临床转化。GO因高亲水性、易表面功能化和相对有利的生物相容性，是最具前景的牙科抗微生物候选；rGO和GNPs在功能化或杂化体系中可增强结构性能并赋予抗微生物功能，但达到GO相当效果常需更高负载或化学改性。其抗菌/抗真菌效能和生物安全解释需与材料表征紧密结合，表面化学（包括EDA相互作用）调节抗微生物和光热活性。未来需研究GO、rGO和GNPs在体内及聚合物牙科复合材料中的结构—活性关系、降解途径和宿主—材料界面，关注口腔pH波动、机械载荷和复杂微生物群落下的长期安全性、组织整合和免疫反应。应依据GO高反应性/表面化学多样性、rGO导电性/结构稳定性和GNPs机械增强潜力进行定制设计，并利用3D打印和人工智能（AI）等数据驱动方法促进合理设计、优化和规模化生产。文章还提及石墨氮化碳（g-C₃N₄）作为结构不同的碳氮纳米材料，具有光催化和ROS介导抗菌潜力，但其疗效、与牙科聚合物相容性、细胞毒性和长期生物安全仍需研究，超出本综述比较范围。总体而言，GO最有望用于抗微生物牙科应用，但优势不能泛化；rGO和GNPs在特定配方中有潜力，需模拟口腔条件和体内比较研究确定相对效能、安全性和临床相关性。成功转化需平衡抗微生物性能、材料性能、美学和长期生物相容性。