グラフェンおよびグラフェン機能化生体材料の抗菌機構とその効果.A Scope Review

Antimicrobial Mechanisms and Effectiveness of Graphene and Graphene-Functionalized Biomaterials. A Scope Review.

• Hiba Mohammed
• Ajay Kumar
• Elena Bekyarova
• Yas Al-Hadeethi
• Xixiang Zhang
• Mingguang Chen
• Mohammad Shahnawaze Ansari
• Andrea Cochis
• Lia Rimondini

抄録

現在、バイオマテリアルのインプラント不良の主な原因は細菌感染であるが、市販されているインプラント用材料の多くは抗菌性を持たないため、感染が発生すると抗生物質による治療が必要となる。抗生物質耐性の病原体が急速に増加しているため、この方法はより効果的ではなく、デバイスの取り外しという唯一の解決策につながり、患者に壊滅的な結果をもたらしています。そのため、感染症を予防するために、内在性の抗菌性を有する材料の採用に基づく代替戦略についての研究が盛んに行われています。これらの新しい戦略の間で、カーボンナノチューブ、フラーレン、グラフェン、ダイヤモンドライクカーボンなどの炭素系材料の使用を含む新しい技術は、非常に有望な結果を示している。特に、グラフェンおよびグラフェン由来材料（GM）は、細菌、真菌、ウイルスに対して幅広い抗菌活性を示しました。これらの抗菌活性は、GMと細菌との直接的な物理化学的相互作用により、タンパク質、脂質、核酸などの細胞成分を死滅的に劣化させることに起因しています。実際、GMは膜プロテオグリカンに高い親和性を持ち、蓄積して膜を損傷させたり、内部化後に細菌のRNA/DNA水素基と相互作用して複製を中断させたりします。さらに、GMは、生理的環境に入った後、活性種の発生により炎症性カスケードを活性化し、細菌の死を間接的に決定することができます。逆に、このような細菌を標的とした活性にもかかわらず、GMは様々な組織工学の目的のために組織治癒を促進するための再生材料として成功しています。本レビューでは、このようなGMの生物学的特性を考慮して、バイオメディカルデバイスに応用可能な有望な材料としてのグラフェンの抗菌メカニズムを説明することを目的としている。

Bacterial infections represent nowadays the major reason of biomaterials implant failure, however, most of the available implantable materials do not hold antimicrobial properties, thus requiring antibiotic therapy once the infection occurs. The fast raising of antibiotic-resistant pathogens is making this approach as not more effective, leading to the only solution of device removal and causing devastating consequences for patients. Accordingly, there is a large research about alternative strategies based on the employment of materials holding intrinsic antibacterial properties in order to prevent infections. Between these new strategies, new technologies involving the use of carbon-based materials such as carbon nanotubes, fullerene, graphene and diamond-like carbon shown very promising results. In particular, graphene- and graphene-derived materials (GMs) demonstrated a broad range antibacterial activity toward bacteria, fungi and viruses. These antibacterial activities are attributed mainly to the direct physicochemical interaction between GMs and bacteria that cause a deadly deterioration of cellular components, principally proteins, lipids, and nucleic acids. In fact, GMs hold a high affinity to the membrane proteoglycans where they accumulate leading to membrane damages; similarly, after internalization they can interact with bacteria RNA/DNA hydrogen groups interrupting the replicative stage. Moreover, GMs can indirectly determine bacterial death by activating the inflammatory cascade due to active species generation after entering in the physiological environment. On the opposite, despite these bacteria-targeted activities, GMs have been successfully employed as pro-regenerative materials to favor tissue healing for different tissue engineering purposes. Taken into account these GMs biological properties, this review aims at explaining the antibacterial mechanisms underlying graphene as a promising material applicable in biomedical devices.

Copyright © 2020 Mohammed, Kumar, Bekyarova, Al-Hadeethi, Zhang, Chen, Ansari, Cochis and Rimondini.