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作者及机构
本研究由埃及国家研究中心的Sawsan Dacrory独立完成，发表在*Journal of Polymers and the Environment*，2021年1月17日在线发表，2021年7月正式刊载（Volume 29, Pages 2248–2260）。

学术背景
本研究隶属于高分子材料与生物医学交叉领域，核心科学问题是如何开发一种兼具抗菌性能和抗病毒活性的生物基材料。随着新冠病毒（COVID-19）疫情暴发，科学家亟需寻找可抑制病毒传播的新型材料。纤维素（cellulose）因其可再生性、生物相容性和易修饰特性成为理想候选，但传统氧化法合成二醛纤维素（dialdehyde cellulose, DAC）存在反应时间长、产率低等问题。此外，氧化石墨烯（graphene oxide, GO）的抗菌性能已被广泛报道，但其与纤维素的复合效应及抗病毒潜力尚未充分挖掘。本研究的目标是通过微波辅助氧化法高效制备DAC，并与GO复合，探究其对抗 Gram阳性/阴性细菌及COVID-19的活性机制。

研究流程与方法
研究分为六个关键步骤，并采用多尺度表征技术：

1. DAC的微波辅助合成与表征

   • 方法：以钠高碘酸盐（NaIO₄）为氧化剂，在微波辐射下（0.5–1.5分钟）选择性切断纤维素C2–C3位羟基，生成醛基（—CHO）。
     
   • 创新点：与传统4–12小时反应相比，微波法将时间缩短至分钟级，醛基含量（AC）达63%，产率98%。醛基含量通过希夫碱反应滴定法验证。
     
   • 表征：傅里叶红外光谱（FTIR）显示1650 cm⁻¹处新出现的C=O特征峰，X射线衍射（XRD）证实结晶度从85%（纤维素）降至45%（DAC），扫描电镜（SEM）观察到纤维断裂形貌。

2. GO的改良Hummers法制备

   • 以石墨粉为原料，硫酸/磷酸混酸体系氧化，KMnO₄为氧化剂，H₂O₂终止反应，获得单层GO。XRD显示特征峰从石墨的26°移至GO的10°，表明环氧/羧基的引入。
     

3. DAC/GO复合薄膜的制备

   • 采用溶液浇铸法，将DAC（1 g）、GO（0.05 g）、聚乙烯醇（PVA）及甘油共混，超声分散后成膜。SEM显示GO均匀分布于DAC基质，形成氢键网络。
     

4. 力学性能测试

   • 拉伸试验表明：DAC/GO的拉伸强度（6.5 MPa）显著高于纯DAC（2.2 MPa），归因于GO的增强效应。
     

5. 计算化学分析

   • 采用密度泛函理论（DFT/B3LYP/6-31G(d)）优化纤维素、DAC和GO的几何结构，计算能隙（Eg）、电负性（χ）等参数。结果显示GO的Eg最低（反应活性最高），DAC的偶极矩（μ）增加，利于分子间相互作用。
     

6. 抗菌与分子对接研究

   • 抗菌实验：以琼脂扩散法测试DAC/GO对金黄色葡萄球菌（Gram+）和铜绿假单胞菌（Gram−）的抑制效果。DAC的醛基通过产生活性氧（ROS）及破坏细胞膜发挥抗菌作用。
     
   • 分子对接：AutoDock Vina模拟DAC与COVID-19刺突蛋白（PDB:7BZ5）的结合，结合能（−4.0 kcal/mol）优于羟氯喹（−3.6 kcal/mol），且键长更短（1.2 Å vs 1.4 Å），提示DAC可能通过氢键与病毒蛋白结合。
     

主要结果及逻辑链条
1. 微波法成功缩短DAC合成时间，FTIR与XRD数据证实醛基引入及结晶度下降（→支持后续复合材料的可加工性）；
2. GO的加入提升薄膜力学强度（SEM显示界面相容性良好→为抗菌应用提供机械支撑）；
3. DFT计算揭示DAC/GO的电子结构变化（Eg降低→解释其高反应活性→与抗菌实验结果关联）；
4. 分子对接结合能数据表明DAC可能靶向COVID-19蛋白（→为抗病毒应用提供理论依据）。

结论与价值
1. 科学价值：首次将微波辅助氧化应用于DAC合成，建立“快速制备-结构调控-生物活性”的研究范式；提出DAC/GO双机制抗菌模型（ROS氧化与物理吸附协同）。
2. 应用价值：该复合材料可应用于医用敷料、口罩涂层等抗疫物资，其生物可降解特性符合绿色化学趋势。

研究亮点
1. 方法创新：微波辅助氧化将反应时间从小时级缩短至分钟级，醛基产率达国际同类研究最高水平（63%）；
2. 跨学科整合：结合材料力学、计算化学与分子生物学，多维度验证材料性能；
3. 抗病毒新发现：DAC与COVID-19蛋白的结合能优于羟氯喹，为后续药物开发提供新思路。

其他价值
研究得到埃及科学院（ASRT）资助，所有实验数据公开，可重复性强。作者强调DAC/GO的低成本与规模化生产潜力，建议探索其在水处理（吸附重金属）领域的应用。