細(xì)菌在生物材料表面污染所引發(fā)的感染，嚴(yán)重威脅著人類的生命健康?？股氐陌l(fā)現(xiàn)及使用，為人類抗細(xì)菌感染帶來了有力的幫助。然而，抗生素的過量使用，會導(dǎo)致細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生，這已發(fā)展為威脅人類健康的世界挑戰(zhàn)。
近期，吉林大學(xué)仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任露泉院士團(tuán)隊(duì)，道法自然，以荷葉超疏水性抗生物粘附性能為切入點(diǎn)，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)其二級納米柱狀結(jié)構(gòu)具有類似蟬翼表面物理結(jié)構(gòu)殺菌的特性，創(chuàng)新性開發(fā)出物理結(jié)構(gòu)抗粘附和結(jié)構(gòu)殺菌為一體的仿生抗菌表面，在獲得高效抗菌性能同時(shí)，巧妙避免引發(fā)細(xì)菌耐藥性的風(fēng)險(xiǎn)，為開發(fā)新一代安全、高效抗菌表面提供新思路和新方法。
作者研究表明，荷葉表面具有高長徑比的納米結(jié)構(gòu)，不僅為荷葉的超疏水性（抗細(xì)菌粘附）提供了保障，而且一旦發(fā)生少量細(xì)菌粘附，這些納米結(jié)構(gòu)就可以對表面的細(xì)菌進(jìn)行撕裂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對于表面細(xì)菌的滅活。受此啟發(fā)，他們制備出了層級的超疏水抗菌表面。其表面靜態(tài)水接觸角超過了170°，而滾動角則小于1°，表面對于對于E. coli的抗粘附效率可以達(dá)到99%以上，少量粘附的細(xì)菌可以被完全殺死，有效的克服了單一結(jié)構(gòu)殺菌表面細(xì)菌粘附性積累的弊端。在這個(gè)體系中不管是對于細(xì)菌的排斥還是殺死，都完全來自于結(jié)構(gòu)本身的物理效應(yīng)，不會引發(fā)任何細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。該研究成果以“Lotus-leaf-inspired hierarchical structured surface with non-fouling and mechanical bactericidal performances”（Chemical Engineering Journal 398 (2020) 125609）為題發(fā)表在了國際著名期刊Chemical Engineering Journal。
天然荷葉雙重抗菌功效首次被報(bào)道。荷葉“出淤泥而不染”的優(yōu)異自清潔性能一直以來為人們所稱贊，以此為靈感，研究者們制備了各式超疏水表面用以抗細(xì)菌粘附。近年來隨著“物理結(jié)構(gòu)殺菌”的提出及其殺菌原理的不斷證明，作者在研究之初設(shè)想：荷葉表面既然也擁有高長徑比的納米柱狀結(jié)構(gòu)，那么這些柱狀結(jié)構(gòu)是否也能表現(xiàn)出物理殺菌的功效呢？他們首先對于新鮮采摘的荷葉進(jìn)行了常規(guī)的物理化學(xué)表征，證明了他們所收集的荷葉確實(shí)具有很好的超疏水性以及表面具有密集的納米柱狀結(jié)構(gòu)（圖2）。之后他們對于荷葉表面的抗菌性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如設(shè)想一樣，荷葉表面確實(shí)具有“抗細(xì)菌粘附-結(jié)構(gòu)殺菌”這樣雙重的抗菌性能（圖3）。并且證明了荷葉的這一性能完全來自于物理的作用方式。
仿生表面表現(xiàn)出了優(yōu)異的超疏水性能，為“抗-殺”雙功能的實(shí)現(xiàn)提供了前提。作者采用等離子刻蝕與水熱合成相結(jié)合的方法，制備了具有下層微米尺度、上層納米尺度的層狀二級結(jié)構(gòu)表面（圖4）。進(jìn)過疏水化處理以后，二級結(jié)構(gòu)表面水靜態(tài)接觸角可達(dá)到174°而滾動角則在1°之下。此外他們還用高速攝像機(jī)對水滴在結(jié)構(gòu)表面的動態(tài)行為進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果表明二級結(jié)構(gòu)表面具有良好的對水的排斥性能（圖5）。
二級仿生結(jié)構(gòu)表面表現(xiàn)出了高效的“抗-殺”結(jié)合雙功能抗菌性能。作者利用濃度為108cells/mL的大腸桿菌溶液對于制備出的樣品進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：即使經(jīng)過24 h的細(xì)菌培養(yǎng)以后，疏水化處理以后的具有超疏水性能的二級結(jié)構(gòu)表面依然可以保持較好的抗細(xì)菌粘附的性能，即使有少量細(xì)菌粘附到了表面，也可以被有效的殺死，從而保持了表面的長效抗菌活性（圖6）。作者通過一系列實(shí)驗(yàn)證明，這種雙重的抗菌功效原理，確實(shí)同荷葉表面所表現(xiàn)的一樣都是源于物理作用的機(jī)理，不存在引發(fā)細(xì)菌耐藥性產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。本研究對于構(gòu)建長效的物理結(jié)構(gòu)殺菌表面提供了新思路，為制備不引發(fā)細(xì)菌耐藥性抗菌策略提供了新的參考。
該論文第一作者為蔣如劍博士，趙杰副教授、田麗梅教授為通訊作者。
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https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125609
