▲第一作者：黃麗蓓和辜美佳
通訊作者：葉汝全，唐本忠，沈超
通訊單位：香港城市大學，香港科技大學，武漢大學
論文DOI：10.1002/adfm.202101195
疏水激光誘導石墨烯（HLIG）能有效地通過光熱效應和疏水性的協(xié)同作用使冠狀病毒失活。在較低能量（光或電）使用下，非金屬的HLIG在15分鐘內(nèi)能夠使97.5% 的HCoV-OC43和95%的 HCoV-229E失活。經(jīng)多次使用，HLIG的抗病毒性能仍保持穩(wěn)定。由嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒2型（SARS-CoV-2）引發(fā)的2019年冠狀病毒（COVID-19）大流行已在全球范圍內(nèi)造成無數(shù)感染病例和死亡，嚴重阻礙了全球經(jīng)濟的發(fā)展。盡管有許多疫苗已經(jīng)成功研發(fā)，但由于有效時間、病毒的潛在突變和疫苗的生產(chǎn)能力等方面存在不確定性，疫情的結束無法單純地依賴疫苗。病毒傳播的主要方式是呼吸道飛沫的傳播和身體接觸，因此世界衛(wèi)生組織建議戴口罩和遵循衛(wèi)生習慣來控制病毒。但目前的口罩不具備抗病毒功能。
金屬材料、化學藥物、高溫、和紫外線照射可以滅活病毒，但它們的細胞毒性和對人體的損害不容忽視，相對高昂的價格和對儀器的依賴性進一步限制了它們的日常應用。因此，在疫情肆虐下，開發(fā)出能在溫和條件下有效快速滅活病毒的廉價材料迫在眉睫。雖然先前的研究表明石墨烯材料在陽光下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性，并提出光熱效應引起的高溫（如110℃）可能使病毒失活，但沒有直接證據(jù)表明其具體抗病毒效果。此外，這樣的高溫在實際情況下可能是不現(xiàn)實的，因為日常室外的太陽輻照度通常較低，很難達到這么高的溫度。本文報道了激光誘導石墨烯（LIG）及其復合物對作為SARS-CoV-2替代物的兩種人冠狀病毒HCoV-OC43和HCoV-229E具有良好的抗病毒活性。疏水性LIG（HLIG）即使不添加任何金屬添加劑，也能在較低溫度~46℃下，使≥95%的HCoV-OC43和HCoV-229E在15分鐘內(nèi)滅活。這種溫度可以通過LIG的光熱作用或焦耳加熱來實現(xiàn)。銀納米粒子/LIG復合材料（Ag-NPs/LIG）也表現(xiàn)出相似的性能，但它具有很強的細胞毒性。經(jīng)過多次洗滌和干燥后，HLIG抗病毒能力依然保持，表明其可重復使用性。具有良好穩(wěn)定抗病毒作用的多孔LIG在口罩、空氣過濾、污水處理等過濾領域有著廣闊的應用前景。此外，LIG還可以與其他材料（如柔性聚合物和建筑材料）結合， 間歇性地施加電壓將溫度提高到~46℃時，可以使門把手、地面等表面都具有抗病毒作用，可極大減弱病毒的傳播力。LIG和HLIG可通過普通二氧化碳激光器直接由木材、紙張、布和聚合物等前驅體直接轉化。它是一種快速、綠色的方法，不需要苛刻的條件，如高溫、高壓、大量的化學品消耗。在LIG上滴適量AgNO3溶液，然后再進行一次激光掃描，可獲得Ag NPs/LIG復合材料。拉曼光譜顯示石墨烯材料的三個特征峰，G峰，D峰和2D峰。Ag NPs/LIG的XRD圖譜顯示面心立方銀晶體Ag的（111）、（200）、（220）、（311）和（331）晶面。26°處的寬峰可歸結為石墨的（002）面，層間間距為3.4埃。在空氣中進行激光掃描LIG顯示親水性，而在惰性氣氛下LIG表現(xiàn)疏水性。TEM圖像顯示了LIG為少層石墨烯，球形的Ag-NPs分布均勻，尺寸為幾十納米。▲圖 1. LIG, HLIG and Ag NPs/LIG的表征
我們探討了LIG的光熱效應和焦耳熱效應。當暴露在1kw/m2的陽光下時，LIG的溫度在10s內(nèi)飆升至55℃，然后維持在62℃（圖2）。對于焦耳加熱，7.5V的直流電壓可以將10×10 cm2 LIG加熱到50℃。46℃的溫度足以使病毒失活（詳見下文），這個溫度只需將LIG暴露在~0.5 kW/m2的陽光下或施加直流電（~20 mW/cm2）即可實現(xiàn)，如日常室外的陽光照射或2-3節(jié)AAA電池供電。三種不同類型的LIG和醫(yī)用口罩的熔噴布材料（MBF）對HCoV-OC43和HCoV-229E兩種冠狀病毒的抗病毒性能顯示出明顯的差異。陰性對照（NC）和陽性對照（PC）分別為純細胞組和細胞+病毒組。圖3顯示，在沒有陽光照射的情況下，LIG、HLIG和Ag NPs/LIG對HCoV-OC43的抗病毒效果分別為2.4%、4.7%、18%和19%、64.3%、51.4%。有光照時， LIG、HLIG、Ag-NPs/LIG對HCoV-oc43對的抑制率分別為58.3%、97.5%和85.7%，對HCoV-229E的抑制率分別為98%、95%和75.67%。這些結果表明HLIG具有非凡的抗病毒能力。所有LIG樣品的表面溫度均為~46℃，且在整個試驗過程中病毒液保持濕潤。實際應用中，因為沒有水層的反射，LIG的溫度會更高。此外，SARS-CoV-2由于其特有的外膜脂質，HLIG的疏水性可能增強了石墨烯表面與病毒外膜之間的相互作用，從而更有效削弱病毒活性。通過免疫熒光分析進一步評估MRC-5細胞中HCoV-OC43的表達水平（圖3c）。與PC相比，LIG和HLIG中幾乎看不到感染細胞。Ag-NPs/LIG組對MRC-5細胞具有較強的細胞毒性。經(jīng)Ag-NPs/LIG處理后，MRC-5細胞的形態(tài)發(fā)生顯著變化：細胞變得稍圓，空泡、顆粒和細胞間隙增加（圖4）。通過CCK-8詳細地評估細胞毒性發(fā)現(xiàn)，Ag-NPs/LIG組24h后細胞存活率降至52.42%，LIG組和HLIG組均保持≥90%（圖5）。與LIG和HLG相比，Ag-NPs/LIG在無陽光照射的情況下具有相似的抗病毒能力，但其細胞毒性和高成本使其難以廣泛應用。TCID50法檢測病毒滴度的結果表明，在沒有陽光的情況下，所有LIG都具有較弱的抗病毒能力。暴露在陽光下時，HLIG組的HCoV-OC43和HCoV-229E病毒滴度分別降低66%和86%，表明HLIG可以有效地減少冠狀病毒的感染和傳播。▲圖3. LIG, HLIG, Ag NPs/LIG and MBF的抗病毒效果
未完待續(xù)
