科学研究

道法自然,仿生结构物理抗-杀菌协同表面,令细菌无所适从

2020-06-15  点击:[]

吉林大学任露泉院士团队:道法自然,仿生结构物理抗-杀菌协同表面,令细菌无所适从

原创 ISBE国际仿生工程学会

细菌在生物材料表面污染所引发的感染,严重威胁着人类的生命健康。抗生素的发现及使用,为人类抗细菌感染带来了有力的帮助。然而,抗生素的过量使用,会导致细菌耐药性的产生,这已发展为威胁人类健康的世界挑战。

近期,吉林大学仿生教育部重点实验室任露泉院士团队,道法自然,以荷叶超疏水性抗生物粘附性能为切入点,并进一步发现其二级纳米柱状结构具有类似蝉翼表面物理结构杀菌的特性,创新性开发出物理结构抗粘附和结构杀菌为一体的仿生抗菌表面,在获得高效抗菌性能同时,巧妙避免引发细菌耐药性的风险,为开发新一代安全、高效抗菌表面提供新思路和新方法。

图1. 荷叶与仿生表面抗菌原理示意图

编辑研究表明,荷叶表面具有高长径比的纳米结构,不仅为荷叶的超疏水性(抗细菌粘附)提供了保障,而且一旦发生少量细菌粘附,这些纳米结构就可以对表面的细菌进行撕裂,进而实现对于表面细菌的灭活。受此启发,他们制备出了层级的超疏水抗菌表面。其表面静态水接触角超过了170o,而滚动角则小于1o,表面对于对于E. coli的抗粘附效率可以达到99%以上,少量粘附的细菌可以被完全杀死,有效的克服了单一结构杀菌表面细菌粘附性积累的弊端。在这个体系中不管是对于细菌的排斥还是杀死,都完全来自于结构本身的物理效应,不会引发任何细菌耐药性的产生。该研究成果以“Lotus-leaf-inspired hierarchical structured surface with non-fouling and mechanical bactericidal performances”(Chemical Engineering Journal 398 (2020) 125609)为题发表在了国际著名期刊Chemical Engineering Journal。

图2. 荷叶表面微观结构SEM图及水滴在表面的行为

天然荷叶双重抗菌功效首次被报道。荷叶“出淤泥而不染”的优异自清洁性能一直以来为人们所称赞,以此为灵感,研究者们制备了各式超疏水表面用以抗细菌粘附。近年来随着“物理结构杀菌”的提出及其杀菌原理的不断证明,编辑在研究之初设想:荷叶表面既然也拥有高长径比的纳米柱状结构,那么这些柱状结构是否也能表现出物理杀菌的功效呢?他们首先对于新鲜采摘的荷叶进行了常规的物理化学表征,证明了他们所收集的荷叶确实具有很好的超疏水性以及表面具有密集的纳米柱状结构(图2)。之后他们对于荷叶表面的抗菌性能进行了测试,结果如设想一样,荷叶表面确实具有“抗细菌粘附-结构杀菌”这样双重的抗菌性能(图3)。并且证明了荷叶的这一性能完全来自于物理的作用方式。

图3. 荷叶表面抗菌性能测试结果

仿生表面表现出了优异的超疏水性能,为“抗-杀”双功能的实现提供了前提。编辑采用等离子刻蚀与水热合成相结合的方法,制备了具有下层微米尺度、上层纳米尺度的层状二级结构表面(图4)。进过疏水化处理以后,二级结构表面水静态接触角可达到174o而滚动角则在1o之下。此外他们还用高速摄像机对水滴在结构表面的动态行为进行了监测,结果表明二级结构表面具有良好的对水的排斥性能(图5)。

图4. 仿生结构制备路线及其表面形貌

图5. 仿生结构表面化学组成及疏水性能表征

二级仿生结构表面表现出了高效的“抗-杀”结合双功能抗菌性能。编辑利用浓度为108cells/mL的大肠杆菌溶液对于制备出的样品进行浸泡实验,结果表明:即使经过24 h的细菌培养以后,疏水化处理以后的具有超疏水性能的二级结构表面依然可以保持较好的抗细菌粘附的性能,即使有少量细菌粘附到了表面,也可以被有效的杀死,从而保持了表面的长效抗菌活性(图6)。编辑通过一系列实验证明,这种双重的抗菌功效原理,确实同荷叶表面所表现的一样都是源于物理作用的机理,不存在引发细菌耐药性产生的风险。本研究对于构建长效的物理结构杀菌表面提供了新思路,为制备不引发细菌耐药性抗菌策略提供了新的参考。

图6. 仿生结构表面抗菌SEM图

该论文第一编辑为蒋如剑博士,赵杰副教授、田丽梅教授为通讯编辑。

全文链接:

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125609


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