抗生素耐药菌的出现使得开发先进的抗生素递送系统成为迫切需求。纳米科学可通过提供能够提升效率并降低抗生素递送副作用的纳米载体应对这一问题。与传统抗菌策略不同，基于纳米颗粒的递送系统可通过改善细胞内抗生素递送与浓度、保护抗生素免受酶解、增强对细菌生物膜的穿透以及实现靶向递送，从机制上对抗抗生素耐药性。因此，理想的抗生素纳米载体需要具备高载药量、可控及刺激响应性释放、固有抗菌活性、生物相容性及用于靶向递送的表面功能化修饰。氧化石墨烯（Graphene Oxide，GO）凭借其独特的理化性质可满足上述所有标准。作为一种极具前景的抗生素纳米载体，GO具有高载药能力、可调表面化学性质及多功能抗菌机制。然而，其性能强烈依赖于剂量、横向尺寸、氧化程度及表面功能化，导致关于疗效、毒性及转化可行性的报道存在不一致。本综述阐述了GO在抗生素递送中的重要角色及其与抗生素协同对抗耐药菌株的作用，同时批判性地分析了GO与抗生素之间的机制性相互作用、已报道生物学结果的变异性及现有研究的局限性。最后，文章批判性讨论了关键趋势与尚未解决的争议，包括GO-抗生素协同与拮抗作用，以及与稳定性、毒性和规模化相关的转化挑战，旨在为未来针对多重耐药菌的GO抗生素递送研究提供指导，并明确通往药物开发与临床应用的可行路径。
1. 引言
全球公共卫生面临的抗生素耐药性问题已成为21世纪最严峻的威胁之一。世界卫生组织（WHO）预测，若不采取有效应对措施，到2050年每年将有约1000万人死于抗生素耐药相关问题。细菌通过产生抗生素修饰酶、改变膜通透性（如孔蛋白与外排泵调控）、修饰抗生素结合位点以降低胞内药物浓度并削弱药物-靶点相互作用，形成多重耐药机制。传统联合抗生素治疗策略因此失效，临床常见致病菌对多种抗生素产生耐药，且耐药基因可通过水平基因转移扩散至其他菌株，进一步加剧治疗困境。在此背景下，基于纳米颗粒的抗生素递送系统成为克服耐药性的重要途径，其可通过提升胞内药物积累、保护抗生素免受酶解、增强生物膜穿透及促进与细菌膜的靶向相互作用，突破外排、通透性下降及酶灭活等关键耐药屏障。理想抗生素纳米载体需兼具高载药效率、可控刺激响应释放、生理条件下稳定性及低宿主细胞毒性，同时具备可预测的体内药代动力学特征与可接受的分布特性。GO因高比表面积、化学可修饰性强、低浓度范围内生物相容性良好且具有膜破坏、包裹菌体及诱导氧化应激等固有抗菌活性，成为兼具载体功能与抗菌活性的代表性纳米材料。但GO的生物学效应高度依赖其浓度、横向尺寸、氧化程度及表面修饰，导致现有研究在细胞毒性、尺寸依赖性抗菌机制、生理稳定性及GO-抗生素相互作用等方面存在结果冲突，且多数研究缺乏体内行为、长期毒性、清除途径及监管层面的系统评估，限制了其临床转化潜力。本综述通过系统分析GO的尺寸、剂量及表面化学性质依赖的抗菌与细胞毒性效应，整合GO-抗生素协同作用的机制见解，厘清文献中结果不一致的核心争议，并评估其真实转化路径与局限。
2. 氧化石墨烯的性质
GO是石墨烯的氧化衍生物，通常通过石墨化学剥离大规模制备，其含氧官能团（环氧基、羧基、羟基）赋予其化学反应活性、分散性、高机械强度、固有抗菌活性及表面功能化潜力。GO在生物医学领域的适用性并非恒定，而是随尺寸、氧化程度、浓度及环境变化产生显著差异，导致抗菌效力与细胞毒性结果的不一致。GO凭借高比表面积与丰富官能团可实现抗生素高效负载与靶向递送，在与还原氧化石墨烯、碳纳米管、银纳米颗粒、聚合物纳米颗粒、GO-银纳米复合材料、金属氧化物纳米颗粒及脂质体纳米颗粒等多类纳米材料的对比中，表现出高载药能力、强固有抗菌活性、显著协同抗菌效应、良好生物相容性及优异功能化潜力的综合优势，但也存在毒性、聚集倾向及转化复杂性等局限。
2.1 氧化石墨烯的理化性质
GO的抗菌特性高度依赖横向片层尺寸、排列、表面电荷、氧化程度及分散稳定性。较小GO纳米片虽含氧基团较少，但具有更强氧化潜能，可超越细菌抗氧化剂（如α-生育酚）；较大GO纳米片包裹能力更强，但可能因从细菌表面脱落而削弱抗菌效果。GO的抗菌活性主要源于其锋利边缘对细菌膜的破坏、对菌体的包裹及氧化应激诱导，三者分别受片层尺寸调控：小尺寸片层边缘密度高，更易切割细菌膜；大尺寸片层横向范围广，更擅长捕获微生物；中等尺寸则可兼顾两种效应。氧化应激介导的抗菌作用则相对独立于尺寸，抗氧化剂（如抗坏血酸）可显著降低各尺寸组GO的抗菌效果。现有研究对尺寸效应的结论存在差异：部分研究显示大于9 μm²的GO片层对大肠杆菌的抗菌活性优于0.010 μm²的小尺寸片层，尤其在低浓度与短时间暴露条件下；也有研究指出约0.01 μm²的小尺寸GO在表面涂层中的抗菌活性约为0.65 μm²大尺寸片的4倍，归因于小尺寸片层引发的更强氧化损伤。整体而言，GO片层尺寸是调控抗菌机制的核心设计参数，需在研究中规范尺寸报告标准。GO因含氧官能团具有亲水性与高分散性，在生理离子强度与富蛋白介质中可通过表面修饰进一步提升胶体稳定性与生物相容性，但其生理盐浓度下的聚集与蛋白冠形成仍是体内应用的重要挑战。
2.2 氧化石墨烯的结构特征及其与抗生素的相互作用
GO为单原子层厚度的蜂窝状碳结构，表面富含环氧基、羧基与羟基，使其具备水溶性并为抗生素负载与功能化修饰提供充足位点。GO可通过π-π堆积作用结合含芳香或共轭环系统的抗生素，通过氢键与静电作用结合含氨基或羟基的抗生素，还可通过酰胺或酯键实现共价偶联，提升抗生素稳定性与可控释放。这些相互作用可保护负载抗生素免受β-内酰胺酶等酶的降解：吸附或固定的抗生素因空间位阻降低分子运动性，减少酶的可及性并延缓酶解过程；同时GO载体可实现感染部位的局部与调控释放，减少药物在生物环境中过早暴露于降解酶。例如，基于GO的水凝胶包封万古霉素已证实具备适用于结肠靶向给药的控释特性，其pH响应特性可实现体内特定部位的抗生素按需释放。GO表面的羧基因反应活性高，是最常用的功能化位点，常通过脱水反应形成酰胺键实现修饰。
2.3 生物相容性、低毒性与靶向递送
GO的生物相容性并非普遍适用，而是呈剂量、尺寸与细胞模型依赖性。体外研究显示，低于20 μg mL⁻¹的GO浓度对人肺上皮A549细胞无明显氧化应激或膜损伤，更高剂量则引发可检测的 cytotoxic 反应；人巨噬细胞对GO的耐受性显著高于小鼠巨噬细胞，且大尺寸GO片层主要与细胞膜相互作用，小尺寸（≤300 nm）片层更易被内化并引发更高氧化应激与细胞因子释放。不同细胞模型对GO敏感性差异显著：永生化ARPE19细胞在50 μg mL⁻¹ GO浓度下即出现活力下降，而胚胎干细胞来源视网膜色素上皮细胞与原代人类视网膜色素上皮细胞在≥100 μg mL⁻¹时才出现明显活力损失，提示永生化细胞系可能高估GO的细胞毒性，原代与人类生理相关细胞模型更适合安全性评估。表面修饰可稳定降低GO毒性，如葡聚糖、没食子酸、牛血清白蛋白、聚乙二醇等生物相容性涂层可改善GO的胶体稳定性与亲水性，减少与细胞膜的非特异性相互作用。GO-抗生素偶联物可在实现靶向递送、提升局部药物积累并降低脱靶效应的同时，维持较低细胞毒性，但其体内靶向效率、脱靶积累与长期安全性仍需深入探究。
2.4 抗菌活性
GO对多种细菌具有广谱抗菌活性，但抑菌或杀菌效果受实验方法、浓度、暴露时间及分散稳定性显著影响。低至中等浓度GO多表现为抑菌作用，通过氧化应激、干扰膜完整性及阻碍营养转运抑制细菌增殖，且不立即导致细胞死亡；高浓度与长暴露时间下则转为杀菌作用，引发不可逆膜损伤、胞内物质泄漏并最终致细菌死亡。例如，20–40 μg mL⁻¹ GO可抑制牙龈卟啉单胞菌与具核梭杆菌增殖，而变形链球菌需80 μg mL⁻¹才被显著抑制；300–500 μg mL⁻¹ GO作用60分钟可杀灭96%的大肠杆菌与约55%的金黄色葡萄球菌。与传统抗生素相比，GO对多重耐药菌仍具强抑制作用：其对耐阿莫西林、复方新诺明、头孢克肟与亚胺培南的大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、铜绿假单胞菌、奇异变形杆菌、粘质沙雷氏菌及金黄色葡萄球菌的抑菌圈达27–41 mm，显著大于环丙沙星、头孢曲松、阿奇霉素与庆大霉素的7–29 mm。GO的抗菌机制包括细菌细胞膜破坏、菌体包裹、氧化应激诱导及电荷转移介导的脂质提取，且对不同革兰属性细菌的作用偏好不同：革兰阳性菌因肽聚糖层含 teichoic 酸与氨基酸，更易被GO包裹；革兰阴性菌因外膜保护，需更高GO浓度实现捕获；革兰阴性菌因肽聚糖层较薄，对氧化应激更敏感，而革兰阳性菌因无外膜，对膜破坏更易感。
3. 抗生素负载与释放机制
GO凭借亲水表面、丰富含氧官能团、高比表面积及灵活表面化学性质，成为可调控抗生素负载与靶向递送的活性平台，而非被动运输载体。GO与抗生素的相互作用包括氢键、共价键、π-π堆积与静电作用，其强度与可逆性直接影响释放动力学、抗菌效力及GO-抗生素系统的协同或拮抗结果，需基于机制进行理性设计。
3.1 吸附机制与药物负载
非共价功能化可保留GO的本征理化性质与基面结构，维持其机械完整性与抗菌活性，主要通过氢键、静电作用与π-π相互作用实现。该方法可提升载药能力、调控缓释行为并增强生物相容性，且可实现由pH、离子强度或生物分子竞争作用触发的药物解吸，适配感染组织的酸性微环境与高蛋白特征。例如，头孢氨苄通过非共价吸附固定于GO表面后，对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的抑制作用显著提升。GO还可通过负电表面结合带正电的脂质体、壳聚糖与金属纳米颗粒等，构建复合载体后再吸附抗生素。
3.2 共价结合与药物负载
共价功能化通过GO表面的羟基、羧基与环氧基实现，常用方法包括酯化、酰胺化、乙酰化、异氰酸酯化与重氮化等。共价结合可实现抗生素与GO的更稳定连接，精准调控释放行为，确保药物到达靶部位前不发生 premature 释放。羧基是最常用的共价修饰位点，可通过六氟磷酸盐、氯化亚砜（SOCl₂）、1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺（EDC）与N,N'-二环己基碳二亚胺（DCC）等试剂活化，经脱水反应形成酯键或酰胺键。例如，GO-阿莫西林复合物通过Gly-Gly-Leu肽接头共价连接，并载入含菠萝蛋白酶的凝胶基质中，菠萝蛋白酶可裂解肽接头实现阿莫西林的控释，24小时内释放率超90%，适用于牙周与牙髓感染的长效治疗。
3.3 刺激响应释放系统
刺激响应递送可提升给药精准度并减少全身副作用，利用pH、酶、氧化还原等内源性刺激或温度、磁场等外源性触发因子启动抗生素释放。GO因表面化学性质易修饰，是构建刺激响应系统的理想载体。pH响应释放可利用感染部位的酸性微环境触发药物释放；酶响应系统则可在富含细菌或宿主来源蛋白酶的环境中实现选择性释放。当前多数系统仅依赖单一刺激触发，多刺激响应GO-抗生素体系仍有待开发以提升特异性与治疗可控性。
3.4 抗生素释放动力学
GO载体的抗生素释放速率受功能化类型、药物-载体结合力及生理环境影响，通常呈可控释放特征。吸附型释放速率由药物与GO表面官能团的相互作用强度决定；共价结合型因结合更牢固，释放速率慢于非共价型；刺激响应系统可进一步根据触发条件调控释放曲线。GO体系的抗生素释放多符合非菲克（anomalous）动力学，受扩散、脱附与pH响应行为共同调控，常用Peppas–Sahlin模型、Ritger–Peppas模型等进行拟合。例如，海藻酸钠-GO-壳聚糖@阿莫西林体系的释放动力学最符合Korsmeyer–Peppas模型，证实为菲克扩散控制释放；含酶可裂解肽接头的GO-抗生素体系则呈现初始突释、随后持续缓慢释放的多相特征，可同时满足快速降低菌负荷与长效抑制生物膜再生的治疗需求。
4. 氧化石墨烯在抗生素递送中的应用
GO凭借可调表面化学性质可实现治疗剂的靶向递送，提升疗效并减少全身副作用，尤其适用于需局部高浓度抗生素的感染性疾病与生物膜相关病变。聚乙二醇功能化GO（GO-PEG）负载青霉素与苯唑西林后，载药量分别达81%与92%，且可持续释放约6天，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的抑制率达80–85%，显著优于游离抗生素或单独GO-PEG。GO还被探索用于基因递送、化疗与再生医学等领域，其与生物分子的相互作用机制可为抗生素负载策略提供参考。
4.1 氧化石墨烯-抗生素联合疗法对抗多重耐药菌
GO因独特理化性质与固有抗菌活性，成为多重耐药菌联合治疗的理想候选。其可通过三种机制增强传统抗生素作用：一是包裹细菌，阻断营养供应致其饥饿死亡；二是通过锋利边缘直接接触破坏细菌膜；三是通过表面官能团诱导氧化应激。与抗生素联用时，上述机制可提升细菌膜通透性，促进胞内抗生素渗透并提高局部药物浓度。例如，美罗培南负载GO（Mrp-GO）对碳青霉烯耐药革兰阴性菌的抗菌活性显著提升，且对人细胞毒性极低，归因于GO诱导的膜不稳定克服了碳青霉烯耐药相关的药物摄取下降。酶响应GO系统可实现牙周与根管感染的位点特异性释药；GO与双抗生素（环丙沙星+甲硝唑）联用可在24小时内完全清除粪肠球菌，远快于单独用药。pH敏感海藻酸钠-GO-环丙沙星体系可在酸性条件下通过强氢键限制药物 premature 释放，碱性条件下通过基质溶胀实现控释，提升胃肠道感染治疗效果。GO与壳聚糖、海藻酸钠构建的复合载体负载阿莫西林后，对金黄色葡萄球菌与大肠杆菌的抑菌圈分别达13 mm与30 mm，且对小鼠成纤维细胞活力保持99.71%。多项研究证实，GO与氯霉素、氨苄西林、四环素联用对革兰阳性菌的协同抗菌活性显著高于革兰阴性菌；GO-明胶-美罗培emem共轭物对多种食源性致病菌的抗菌活性较单独美罗培emem提升45–50%；GO-万古霉素对耐万古霉素金黄色葡萄球菌的抑菌圈达20 mm，显著大于单独万古霉素的9 mm。但GO-抗生素组合并非均呈协同效应：部分抗生素因与GO强吸附导致聚集、药物释放受限及生物利用度下降，反而削弱抗菌效果；作用顺序也会影响结局——预先用GO处理细菌可通过诱导膜损伤提升后续抗生素效力，而预先混合抗生素与GO则会降低药物向细菌的递送效率。因此需针对具体抗生素类别与细菌菌种逐一评估协同潜力。
5. 氧化石墨烯作为纳米载体的挑战与局限
GO作为纳米载体的临床转化面临稳定性、生物相容性、规模化与商业可行性等多重挑战，涉及宿主生物反应、药代动力学、长期安全性与监管可行性等层面。
5.1 化学不稳定性
GO在水溶液中的本征不稳定性源于其结构与相互作用特性，会导致制剂性能波动、抗生素释放不可控及效力下降。其亲水性与聚集倾向是水溶液不稳定的主要原因，生物流体中的盐与蛋白质会进一步加剧聚集，影响体内重复性与一致性。GO的化学结构（尤其是含氧官能团）直接影响制剂稳定性，需通过表面修饰优化；层间氢键交联、引入混合材料可提升结构稳定性，但过度修饰可能影响载药能力与生物相容性。GO因高表面能易发生聚集沉降，常用聚合物或表面活性剂通过静电排斥或空间位阻抑制聚集，但聚集会减少有效比表面积、降低载药效率、改变体内分布并削弱抗菌活性，是必须解决的关键障碍。
5.2 生物相容性、体内分布与清除
小鼠静脉注射GO后主要蓄积于肺、肝、脾，少量分布于骨、心、脑，符合网状内皮系统（RES）摄取的典型纳米材料分布特征，限制了对感染部位的有效递送。低剂量GO未引起明显细胞形态、活力或膜完整性改变，但高剂量与长期暴露仍存在安全隐患；部分体内研究观察到免疫系统激活、补体激活与细胞因子释放等免疫毒性，且不完全清除与长期组织滞留可引发慢性炎症、纤维化与器官功能异常。现有GO“生物降解性”多指特定炎症或过氧化物酶富集条件下的免疫相关氧化生物转化（结构氧化或碎片化），而非普遍快速消除；清除途径也呈配方依赖性：大尺寸或被RES识别的GO组分更可能经肝胆途径清除，仅足够小且分散良好的组分可经肾排泄。当前生物相容性数据多来自体外模型或短期动物研究，缺乏系统性长期体内毒性与生物降解数据，需通过表面修饰（如生物相容性聚合物涂层）平衡循环时间与长期安全性，优化药代动力学特征。
5.3 伦理考量
GO作为纳米载体的临床转化面临监管与安全相关的伦理障碍，核心源于对其生物命运、毒性与环境影响的认知不确定性。职业暴露层面，GO合成、加工与处理过程中的安全暴露限值缺乏明确界定，也无GO特异性职业健康指南，需通过伦理决策保障工人安全。GO在组织内的蓄积可能引发毒性反应与慢性炎症，且其效应高度依赖剂量、尺寸、表面化学性质与聚集状态，带来长期健康风险的伦理关切。领域内缺乏GO合成、表征与生物应用的统一标准，包括尺寸、厚度、氧化程度、表面电荷与分散稳定性的标准化表征流程，以及接种量、抗菌实验方法（如MIC、纸片扩散法、时间-杀菌法）与结果报告方法的统一规范，严重限制了研究可比性与临床转化。此外，GO有限的可生物降解性数据引发其大规模应用后的环境持久性担忧，亟需建立GO特异性监管框架与风险评估策略。
5.4 规模化与商业可行性
GO的商业化应用受生产复杂性、质量一致性与经济可行性制约。工业化生产中难以维持GO片层的结构完整性，超大片层GO（ULGO）制备易因片层破碎与凝胶化失败；原料选择与反应介质优化也是关键难点，氧化反应的高成本推高生产投入。批次间质量差异是规模化与监管审批的主要障碍，严格的质量控制协议进一步增加生产成本。GO合成过程产生大量废水，需专门处理以实现环境友好处置，若无更高效的生产路线，高成本将阻碍其广泛应用。总体而言，合成、表征、生物测试与报告的标准化缺失是当前领域的核心瓶颈，限制了GO基抗生素递送系统从实验室研究向临床与市场应用的转化。
6. 未来方向与展望
GO与抗生素的联合制剂通过提升抗菌效力与递送精准性展现出良好前景。未来研究需聚焦于多材料复合GO制剂的开发，通过整合可生物降解聚合物等实现抗生素的长效释放，维持药物浓度高于最低抑菌浓度（MIC）以减少细菌耐药产生；推进GO介导的多抗生素联合递送策略，以应对多重耐药菌的复杂耐药机制；加强体内外系统研究与环境影响评估，完善标准化、安全性评价与监管框架，推动GO基抗生素递送系统走向临床广泛应用，为对抗抗菌药物耐药性疾病提供更有效的解决方案。
7. 结论
GO凭借高比表面积、生物相容性与多样功能化能力，已成为抗生素递送领域极具变革性的纳米载体，其不仅可提升抗生素疗效，还能精准靶向多重耐药菌，拓展了耐药菌的治疗选择。其先进的药物递送特性、可控释放、固有抗菌活性及与联合疗法的协同效应，使其在对抗细菌耐药性中发挥关键作用。但化学不稳定性、聚集倾向、潜在毒性与规模化挑战仍是其临床转化的主要障碍。为充分挖掘GO的潜力，需开展更多体内外研究与环境评估，完善标准化体系、安全性评价与监管 oversight，推动GO基抗生素递送系统实现广泛临床应用，使其成为对抗抗菌疾病、降低抗生素耐药发生率的重要力量。
