日本商工株式会社（Nippon Shokubai Co.(总部：日本大阪；总裁：野田和弘；以下简称 “日本商工”）与北海道大学医院牙周病科的宫地博文博士领导的研究小组于去年宣布，可以实现抗菌/抗病毒氧化石墨烯复合薄膜的高耐水性和对基底的良好固定。
目前，关西大学化学、材料与生物工程学院的川崎秀也教授领导的小组已加入，进一步研究这项技术和材料，并阐明了氧化石墨烯对抗菌剂/抗病毒剂的基底固定机制，以及氧化石墨烯复合薄膜的长期抗菌/抗病毒效果。本次发布的相关内容发表于 2022 年 10 月 18 日的《科学报告》。
氧化石墨烯对抗菌剂/抗病毒剂的底物固定机制
虽然功能物质本身对基底的附着力较低，但与氧化石墨烯结合后，基底的附着力（耐水性和长期稳定性）会得到改善（图 1）。
FIg.1_底物-氧化石墨烯-抗微生物剂-病毒剂相互作用示意图
为了在工业中广泛推广这些技术，有必要阐明其机理并开发更有效的使用方法。然而，耐水性和持久抗菌/抗病毒效果的机理尚未详细阐明。针对这些问题，日本商工、宫治博士小组和川崎博士小组进行了详细的测试和分析，以估算导致耐水性的相互作用，并阐明导致抗菌和抗病毒特性的机制。
防水和抗菌/抗病毒作用的机理
- 氧化石墨烯被牢固吸附在基底上，并在基底表面形成了一层氧化石墨烯单层膜。
- 基底上的氧化石墨烯与抗菌剂/抗病毒剂通过多种相互作用机制被牢固吸附，因而具有很高的耐水性。
- 抗菌剂/抗病毒剂释放缓慢，可长期发挥抗菌/抗病毒作用。
图 2 显示了氧化石墨烯（GO）和抗菌剂/抗病毒剂（阳离子表面活性剂：CSAA）*1 复合薄膜的耐水性和抗菌/抗病毒性能的机理。
图 2_新近阐明的氧化石墨烯基底与抗菌抗病毒剂之间的相互作用及抗菌抗病毒特性的表达图像
(1) 氧化石墨烯在水中释放质子，形成阴离子结构（带负电荷）。
(2) 除了阴离子结构外，片状结构还能使其强烈吸附在基底上，这是因为离子相互作用力*2 和范德华力*3 的高度相互作用。未与基底接触的多余氧化石墨烯具有弱相互作用，用水冲洗即可轻松去除。
(3) 当抗菌剂/抗病毒剂作用于基底上的氧化石墨烯时，上表面的抗菌剂/抗病毒剂会沿着分子链吸附整个分子。然而，存在于基底上方的抗菌剂/抗病毒剂不能与氧化石墨烯相互作用，而是以微弱的作用力形成胶束状结构*4。多余的抗菌剂/抗病毒剂也很容易用水冲洗去除。
⇒ 通过各种分析发现，残留在顶层表面的抗菌剂/抗病毒剂通过离子相互作用、范德华力、π-π 相互作用*5 和 CH/π 相互作用*5 等多种相互作用强强结合。这被认为是通过氧化石墨烯对基底产生强吸附力和高耐水性的原因。
(4) 抗菌剂/抗病毒剂释放缓慢，可长期发挥抗菌和抗病毒作用。
氧化石墨烯
氧化石墨烯是一种纳米碳材料，具有厚度为 1 纳米、宽度为几微米的高纵横比薄片结构。氧化石墨烯在各种用途中的有效性已得到证实，有望被广泛应用于各个领域。然而，大规模工业化生产一直是个难题。日本商会利用在化学生产中安全稳定地控制化学反应方面积累的技术，解决了氧化石墨烯大规模生产中的各种问题，并建立了大规模生产技术。
所获得的知识可应用于各种基础材料和抗菌/抗病毒剂。通过为不同用户提供样品，我们正在推动氧化石墨烯在抗菌/抗病毒领域的商业化。
*1 本文中使用的抗菌剂/抗病毒剂是苯扎氯铵、十六烷基氯化吡啶和苯扎氯铵，它们是常用的抗菌剂/抗病毒剂。
*2 正负电荷之间的吸引力
*3 各种原子、离子和分子之间的作用力
*4 CSAA 疏水部分在水中的聚集结构
*5 具有特定结构（电子状态）的分子之间的相互作用
文献信息
Title： Sustained antibacterial coating with graphene oxide ultrathin film combined with cationic surface-active agents in a wet environment
Authors： Hirofumi Miyaji, Yukimi Kanemoto, Asako Hamamoto, Kanako Shitomi, Erika Nishida, Akihito Kato, Sugaya Tsutomu, Saori Tanaka, Natsuha Aikawa, Hideya Kawasaki, Syun Gohda, Hironobu Ono
Journal： Scientific Reports (2022.10.18 Published)
URL： https://www.nature.com/articles/s41598-022-21205-4
*已确认 “用水冲洗不去除”、”耐水性 “和 “抗菌/抗病毒性 “等效果适用于与本次发布相关的实验的基材和条件。并非所有材料和环境都能达到同样的效果。
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