研究显示，氧化石墨烯纳米悬浮液对大肠杆菌的抑制率超过90%，但对哺乳动物等的真核细菌毒性却很小。而石墨烯具有比氧化石墨烯更强的抗菌活性，原因是石墨烯的边缘更尖锐，更易损害细胞壁。

研究还发现，石墨烯基复合材料也具有很强的抗菌活性，比如氧化石墨/银纳米复合材料对各种病原体都显示出显著的抗菌活性。2013年，通过分子模拟技术发现了石墨烯可以抽取细胞膜的重要组分磷脂，导致细胞解体的新机制。

有预测认为，在不久的将来，纳米级石墨烯有望成为新的抗菌药物。由于人体不能吸收碳原子，石墨烯在完成“使命”后会通过肠道排出，这是比抗生素更安全、也为更有效的抗菌新途径。同时，石墨烯还可能应用于纱布、导管、创可贴等医疗器具上，有效防止交叉感染。

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