細菌在生物材料表面污染所引發(fā)的感染，嚴重威脅著人類的生命健康?？股氐陌l(fā)現(xiàn)及使用，為人類抗細菌感染帶來了有力的幫助。然而，抗生素的過量使用，會導致細菌耐藥性的產生，這已發(fā)展為威脅人類健康的世界挑戰(zhàn)。
近期，吉林大學仿生教育部重點實驗室任露泉院士團隊，道法自然，以荷葉超疏水性抗生物粘附性能為切入點，并進一步發(fā)現(xiàn)其二級納米柱狀結構具有類似蟬翼表面物理結構殺菌的特性，創(chuàng)新性開發(fā)出物理結構抗粘附和結構殺菌為一體的仿生抗菌表面，在獲得高效抗菌性能同時，巧妙避免引發(fā)細菌耐藥性的風險，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構，不僅為荷葉的超疏水性（抗細菌粘附）提供了保障，而且一旦發(fā)生少量細菌粘附，這些納米結構就可以對表面的細菌進行撕裂，進而實現(xiàn)對于表面細菌的滅活。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到99%以上，少量粘附的細菌可以被完全殺死，有效的克服了單一結構殺菌表面細菌粘附性積累的弊端。在這個體系中不管是對于細菌的排斥還是殺死，都完全來自于結構本身的物理效應，不會引發(fā)任何細菌耐藥性的產生。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菌粘附。近年來隨著“物理結構殺菌”的提出及其殺菌原理的不斷證明，作者在研究之初設想：荷葉表面既然也擁有高長徑比的納米柱狀結構，那么這些柱狀結構是否也能表現(xiàn)出物理殺菌的功效呢？他們首先對于新鮮采摘的荷葉進行了常規(guī)的物理化學表征，證明了他們所收集的荷葉確實具有很好的超疏水性以及表面具有密集的納米柱狀結構（圖2）。之后他們對于荷葉表面的抗菌性能進行了測試，結果如設想一樣，荷葉表面確實具有“抗細菌粘附-結構殺菌”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”雙功能的實現(xiàn)提供了前提。作者采用等離子刻蝕與水熱合成相結合的方法，制備了具有下層微米尺度、上層納米尺度的層狀二級結構表面（圖4）。進過疏水化處理以后，二級結構表面水靜態(tài)接觸角可達到174°而滾動角則在1°之下。此外他們還用高速攝像機對水滴在結構表面的動態(tài)行為進行了監(jiān)測，結果表明二級結構表面具有良好的對水的排斥性能（圖5）。
二級仿生結構表面表現(xiàn)出了高效的“抗-殺”結合雙功能抗菌性能。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行浸泡實驗，結果表明：即使經(jīng)過24 h的細菌培養(yǎng)以后，疏水化處理以后的具有超疏水性能的二級結構表面依然可以保持較好的抗細菌粘附的性能，即使有少量細菌粘附到了表面，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）。作者通過一系列實驗證明，這種雙重的抗菌功效原理，確實同荷葉表面所表現(xiàn)的一樣都是源于物理作用的機理，不存在引發(fā)細菌耐藥性產生的風險。本研究對于構建長效的物理結構殺菌表面提供了新思路，為制備不引發(fā)細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
