▲第一作者：黄丽蓓和辜美佳
通讯作者：叶汝全，唐本忠，沈超
通讯单位：香港城市大学，香港科技大学，武汉大学
论文DOI：10.1002/adfm.202101195
疏水激光诱导石墨烯（HLIG）能有效地通过光热效应和疏水性的协同作用使冠状病毒失活。在较低能量（光或电）使用下，非金属的HLIG在15分钟内能够使97.5% 的HCoV-OC43和95%的 HCoV-229E失活。经多次使用，HLIG的抗病毒性能仍保持稳定。由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引发的2019年冠状病毒（COVID-19）大流行已在全球范围内造成无数感染病例和死亡，严重阻碍了全球经济的发展。尽管有许多疫苗已经成功研发，但由于有效时间、病毒的潜在突变和疫苗的生产能力等方面存在不确定性，疫情的结束无法单纯地依赖疫苗。病毒传播的主要方式是呼吸道飞沫的传播和身体接触，因此世界卫生组织建议戴口罩和遵循卫生习惯来控制病毒。但目前的口罩不具备抗病毒功能。
金属材料、化学药物、高温、和紫外线照射可以灭活病毒，但它们的细胞毒性和对人体的损害不容忽视，相对高昂的价格和对仪器的依赖性进一步限制了它们的日常应用。因此，在疫情肆虐下，开发出能在温和条件下有效快速灭活病毒的廉价材料迫在眉睫。虽然先前的研究表明石墨烯材料在阳光下表现出优异的抗菌性，并提出光热效应引起的高温（如110℃）可能使病毒失活，但没有直接证据表明其具体抗病毒效果。此外，这样的高温在实际情况下可能是不现实的，因为日常室外的太阳辐照度通常较低，很难达到这么高的温度。本文报道了激光诱导石墨烯（LIG）及其复合物对作为SARS-CoV-2替代物的两种人冠状病毒HCoV-OC43和HCoV-229E具有良好的抗病毒活性。疏水性LIG（HLIG）即使不添加任何金属添加剂，也能在较低温度~46℃下，使≥95%的HCoV-OC43和HCoV-229E在15分钟内灭活。这种温度可以通过LIG的光热作用或焦耳加热来实现。银纳米粒子/LIG复合材料（Ag-NPs/LIG）也表现出相似的性能，但它具有很强的细胞毒性。经过多次洗涤和干燥后，HLIG抗病毒能力依然保持，表明其可重复使用性。具有良好稳定抗病毒作用的多孔LIG在口罩、空气过滤、污水处理等过滤领域有着广阔的应用前景。此外，LIG还可以与其他材料（如柔性聚合物和建筑材料）结合， 间歇性地施加电压将温度提高到~46℃时，可以使门把手、地面等表面都具有抗病毒作用，可极大减弱病毒的传播力。LIG和HLIG可通过普通二氧化碳激光器直接由木材、纸张、布和聚合物等前驱体直接转化。它是一种快速、绿色的方法，不需要苛刻的条件，如高温、高压、大量的化学品消耗。在LIG上滴适量AgNO3溶液，然后再进行一次激光扫描，可获得Ag NPs/LIG复合材料。拉曼光谱显示石墨烯材料的三个特征峰，G峰，D峰和2D峰。Ag NPs/LIG的XRD图谱显示面心立方银晶体Ag的（111）、（200）、（220）、（311）和（331）晶面。26°处的宽峰可归结为石墨的（002）面，层间间距为3.4埃。在空气中进行激光扫描LIG显示亲水性，而在惰性气氛下LIG表现疏水性。TEM图像显示了LIG为少层石墨烯，球形的Ag-NPs分布均匀，尺寸为几十纳米。▲图 1. LIG, HLIG and Ag NPs/LIG的表征
我们探讨了LIG的光热效应和焦耳热效应。当暴露在1kw/m2的阳光下时，LIG的温度在10s内飙升至55℃，然后维持在62℃（图2）。对于焦耳加热，7.5V的直流电压可以将10×10 cm2 LIG加热到50℃。46℃的温度足以使病毒失活（详见下文），这个温度只需将LIG暴露在~0.5 kW/m2的阳光下或施加直流电（~20 mW/cm2）即可实现，如日常室外的阳光照射或2-3节AAA电池供电。三种不同类型的LIG和医用口罩的熔喷布材料（MBF）对HCoV-OC43和HCoV-229E两种冠状病毒的抗病毒性能显示出明显的差异。阴性对照（NC）和阳性对照（PC）分别为纯细胞组和细胞+病毒组。图3显示，在没有阳光照射的情况下，LIG、HLIG和Ag NPs/LIG对HCoV-OC43的抗病毒效果分别为2.4%、4.7%、18%和19%、64.3%、51.4%。有光照时， LIG、HLIG、Ag-NPs/LIG对HCoV-oc43对的抑制率分别为58.3%、97.5%和85.7%，对HCoV-229E的抑制率分别为98%、95%和75.67%。这些结果表明HLIG具有非凡的抗病毒能力。所有LIG样品的表面温度均为~46℃，且在整个试验过程中病毒液保持湿润。实际应用中，因为没有水层的反射，LIG的温度会更高。此外，SARS-CoV-2由于其特有的外膜脂质，HLIG的疏水性可能增强了石墨烯表面与病毒外膜之间的相互作用，从而更有效削弱病毒活性。通过免疫荧光分析进一步评估MRC-5细胞中HCoV-OC43的表达水平（图3c）。与PC相比，LIG和HLIG中几乎看不到感染细胞。Ag-NPs/LIG组对MRC-5细胞具有较强的细胞毒性。经Ag-NPs/LIG处理后，MRC-5细胞的形态发生显著变化：细胞变得稍圆，空泡、颗粒和细胞间隙增加（图4）。通过CCK-8详细地评估细胞毒性发现，Ag-NPs/LIG组24h后细胞存活率降至52.42%，LIG组和HLIG组均保持≥90%（图5）。与LIG和HLG相比，Ag-NPs/LIG在无阳光照射的情况下具有相似的抗病毒能力，但其细胞毒性和高成本使其难以广泛应用。TCID50法检测病毒滴度的结果表明，在没有阳光的情况下，所有LIG都具有较弱的抗病毒能力。暴露在阳光下时，HLIG组的HCoV-OC43和HCoV-229E病毒滴度分别降低66%和86%，表明HLIG可以有效地减少冠状病毒的感染和传播。▲图3. LIG, HLIG, Ag NPs/LIG and MBF的抗病毒效果
未完待续
