Two-dimensional (2D) nanomaterials, such as graphene-based materials and transition metal dichalcogenide (TMD) nanosheets, are promising materials for biomedical applications owing to their remarkable cytotoxicity and physicochemical properties. Based on their potent antibacterial properties, 2D materials have potential as antibacterial films, wherein the 2D nanosheets are immobilized on the surface and the bacteria may contact with the basal planes of 2D nanosheets dominantly rather than contact with the sharp edges of nanosheets. However, there are lack of studies on antimicrobial properties of 2D nanosheet surface while research groups mostly take into account the bacterial interaction with 2D nanosheets in a dispersed form. To address these points, in this study, we prepared an effective antibacterial surface consisting of representative 2D materials, i.e., graphene oxide (GO) and molybdenum disulfide $(MoS_2)$, formed into nanosheets on a transparent substrate for real device applications. The antimicrobial properties of the $GO-MoS_2$ nanocomposite surface toward the Gram negative bacteria Escherichia coli were investigated, and the $GO-MoS_2$ nanocomposite exhibited enhanced antimicrobial effects with increased glutathione oxidation capacity and partial conductivity. Furthermore, direct imaging of continuous morphological destruction in the individual bacterial cells having contacts with the $GO-MoS_2$ nanocomposite surface were characterized by holotomographic (HT) microscopy, which could be used to detect the refractive index (RI) distribution of each voxel in bacterial cell and reconstruct the three-dimensional (3D) mapping images of bacteria. In this regard, both the decreases in the volume (~67.21%) and dry mass (~78.75%) of bacterial cells came in contact with the surface for 80 min were quantitatively measured, and releasing of intracellular components mediated by membrane and oxidative stress was observed. Our findings provided new tools for label-free real-time tracing of bacterial cell with which to improve our understanding of antimicrobial activity, and opened a window for the 2D nanocomposite as a practical antibacterial film in biomedical applications.
그래핀 기반 물질과 전이 금속 디칼코제나이드 나노 시트와 같은 이차원 나노물질들은 그들의 주목할 만한 세포 독성과 물리 화학적인 특성으로 인해 바이오 메디칼 어플리케이션 분야에 유망한 물질이다. 이차원 물질들은 그들의 잠재된 항균 특성을 기반으로 항균 박막으로서의 가능성을 가지고 있는데, 이러한 항균 박막은 이차원 나노 시트들이 분산되어 있는 용액과는 달리 표면에 고정된 형태로 되어 있어 박테리아와 접촉 시 나노 시트의 날카로운 가장자리보다는 나노 시트의 기저면과 지배적으로 접촉을 하게 되어 서로 다른 항균 메커니즘을 가지게 된다. 이러한 분산된 용액 상태의 이차원 나노 시트와 박테리아 간의 상호 작용에 대한 연구는 활발히 진행되어 왔지만, 이차원 나노 시트가 고정되어 있는 이차원 나노 시트 표면에서의 항균 특성에 대한 연구가 부족하다. 한편 분산된 용액 상태의 이차원 나노 시트는 실제 어플리케이션에 적용하기엔 한계가 있어, 이 연구에서는 실제 디바이스 어플리케이션에 적용하기 위해 그래핀 옥사이드와 이황화 몰리브덴 나노 시트로 구성된 투명하고 효과적인 항균 특성을 가지는 이차원 나노 시트 박막을 구현했다. 그람음성균인 대장균에 대한 그래핀 옥사이드-이황화 몰리브덴 나노복합체 박막의 항균 특성과 항균 메커니즘을 연구했고, 이차원 나노 시트 박막의 글루타티온 산화 역량과 부분적인 전도성의 증가가 항균 특성을 향상시킨 것을 확인했다. 뿐만 아니라 홀로 토모그래픽 현미경을 이용하여 그래핀 옥사이드-이황화 몰리브덴 항균 박막과 접촉하고 있는 박테리아 세포 형태의 연속적인 파괴를 직접적으로 이미징하고 박테리아의 굴절률 분포를 검출하여 이를 통해 박테리아 세포의 부피와 건조질량이 감소하는 것을 추적했고, 세포막과 산화 스트레스에 의한 세포내 성분의 방출 또한 실험적으로 확인했다. 결과적으로 이 연구는 이차원 나노복합체를 이용한 실제적인 항균 박막의 구현을 통해 이차원 나노물질의 바이오 메디칼 어플리케이션으로의 가능성을 보였고, 박테리아 세포의 실시간 추적 실험을 통해 이차원 나노 물질의 항균 작용에 대한 이해를 높이는 새로운 방법을 제시했다.
