广州大学林璟副教授等《Chem. Eng. J》：智能响应抗细菌黏附增强技术

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据科学家推断：约10³¹个细菌存在于地球上，典型的霍乱是一种传染性非常强的细菌感染疫情，在全球范围内，每年大约有130万到400万人被霍乱侵袭，并造成2.1万至14.3万人死亡。细菌通过空气由物至人或人至人传播黏附于人体是致病菌传播的重要原因之一，且细菌在各物体表界面的黏附对化工工业、海洋船舶防腐防污、给水工程、医学工程、材料工程等国计民生工程和国家重大战略需求领域，也造成难于估量的巨大危害，尤其对工业金属制品产生的微生物腐蚀更是不容忽视。研究显示：抑制细菌微生物危害的一种可行性方法是构筑抗细菌黏附表面，以阻止细菌的初始黏附，阻止细菌生物膜的进一步危害。迄今为止，细菌在各表面的抗黏附仍然是一个需求突破的技术瓶颈。

为攻关各类难题，突破技术瓶颈，研究团队不断探索高效抗菌分子的设计合成和抗黏附表面构建技术：

①为探究新型的高效抗菌分子，设计合成了一种仿生甲壳虫状的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules 2020,157:553-560); 

②为解决多孔粗糙纤维表面由于毛细管力吸附作用易黏附细菌的难题，提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter状态表面构建技术，细菌液滴被空气层悬浮在其表面（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 6124–6136, ESI高被引，热点论文) ;

③为探究在任意异型表面构筑抗细菌黏附表面技术，研究开发了一种简易喷涂抗细菌黏附微球的技术，提出了亲水阻抗和疏水排斥型两种抗细菌黏附模型，并论证了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗细菌黏附的内在机制，首次通过分子模拟阐述水化层阻抗是亲水表面抗细菌黏附的内在机制（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7：26039– 26052）;

④提出实现了抗细菌黏附技术在基于Cassie-Baxter润湿状态下具有抗液体干扰和抗细菌黏附的高拉伸性和超灵敏可穿戴柔性应变传感器中的应用（Advanced Functional Materials, 2020, 30 (23): 2000398）。

因万物处于复杂多变的环境中，抗细菌黏附表面技术也面临着环境变化的影响，为避免和利用环境变化的影响，智能响应技术在增强抗细菌黏附性方面发挥了重要的作用。近期，研究团队进一步提出在金属钛板上构建了钛基TiO₂纳米管阵列，然后再喷涂接枝自制的智能响应抗菌抗黏附高分子，以实现温度和光响应增强抗细菌黏附性策略（图1）。图2揭示了构造一个内在的抗菌表面是杀死和阻止细菌繁殖的一个重要策略，纯TiO₂纳米管对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别只有52.37%和48.84%，而修饰了智能响应抗菌抗黏附高分子后的TiO₂纳米管的抗菌率增加至98.82%，表明抗细菌黏附高分子在抗菌中起主导作用，其抗菌机理如图2C所示，抗菌材料通过静电作用破坏细菌细胞壁，高分子的烷基链穿透细胞壁，导致细胞膜变形、破损和细胞质成分渗漏，细菌最终死亡。

图1 温度和光响应增强抗细菌黏附表面P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti构建示意图

图2抗菌率（a）、不同接枝浓度的复合表面（CM1、CM2、CM3、CM4、CM5）对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌（b）的荧光显微镜图，以及复合表面的抗菌机理（c）。

抗细菌黏附温度响应增强技术：构建的复合表面P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti 的相转变温度为42.2℃，考察了3个不同温度（4℃，37℃，55℃）水环境中的细菌黏附情况。图3表明：在较低的温度（4℃）下，复合表面的高分子聚合物链中的PVCL朝向水相中延伸，大量结合水分子使PVCL分子链处于溶胀状态，此时的PVCL是极度亲水的。另外，由于聚合物链中的亲水组分PEGMA也能额外的结合水分子形成水化层，二者的相互协同作用导致了复合表面在水环境中具有一个高强度的水化层，在复合表面和细菌之间形成一个强有力的阻隔层，因此复合表面体现出其极强的细菌抗黏附特性。在接近生理温度（37℃）时，但仍低于相转变温度，此时PVCL分子链仍旧处于溶胀状态，但是相对的溶胀程度低于4℃，复合表面的水化层强度较于4℃减小，但仍旧具有较高的细菌抗黏附特性（大肠杆菌抗黏附率：86.66%，金黄色葡萄球菌抗黏附率：93.28%）。当溶液温度高于相转变温度（55℃）时，复合表面的高分子聚合物链中的PVCL反向水相，PCVL分子链向内皱缩，暴露出大量的疏水位点，导致PVCL与水分子间的氢键减少，从而导致相分离。此时的复合表面由于处于相分离状态，表面水化层效果削减到最弱或者几乎没有，在此状态下细菌极易黏附在复合表面上，复合表面体现出较低的细菌抗黏附特性。为此，调控至冷环境可以实现抗细菌黏附热响应增强效应。

图3 抗细菌黏附温度响应增强机理

图4 抗细菌黏附光响应增强机理

抗细菌黏附光响应增强技术：除了温度响应增强外，还尝试构建了另一种智能响应细菌抗黏附增强方法，作为常用的光敏材料，TiO₂纳米管具有光致亲水性，可用于自清洁和防污应用。以TiO₂纳米管为基底材料构建的纳米/聚合物复合表面具有良好的光响应性。图4表明：当紫外光（hv）照射在TiO₂纳米管阵列表面时，hv诱导价带电子向导带提升，从而产生价带空穴（h⁺_VB）和e^-_CB，与H₂O和O₂分子作用在TNTs表面上产生大量的·OH自由基，这些自由基进一步与细菌液体中的水分子作用形成氢键，使得复合表面快速包裹一层水合层，极大的阻隔细菌黏附在表面，体现出极强的细菌抗黏附性。随着光照时间增加，TiO₂纳米管阵列羟基数量也增多，更多的羟基能够产生更强的水化层作用，复合表面的水合层屏障阻隔效果更强，表现出细菌抗黏附性增强。为此，紫外光环境可以实现抗细菌黏附光响应增强效应。

为了评价P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti复合材料在生物材料领域的潜在应用，通过体外细胞实验和体内动物实验综合评估复合材料的生物安全性能（图5）。CCK-8试剂盒评估了该复合材料对小鼠胚胎成纤维细胞（NIH/3T3细胞）细胞活力的影响，证明了该复合材料具有良好的体外生物相容性。并进一步评价P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti复合材料在促进细菌感染伤口愈合中的实际应用，采用苏木精-伊红（H&E）染色收集伤口组织的组织学图像，观察和评价感染伤口感染情况（图5a）。与原始钛板治疗后产生的大量免疫细胞、免疫因子并造成严重的组织坏死相比，复合材料处理的创面组织感染少，组织结构完整，说明其具有有效的抗伤口感染作用，且复合材料不会对大鼠的主要器官如心、肝、脾、肺和肾造成异常或损害（图5b），说明智能响应增强型抗细菌黏附材料P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti不仅在化工工业、海洋船舶防腐防污、给水工程、材料工程，且在生物医学材料领域都具有较大的经济价值和应用前景。

图5 体外细胞实验和体内动物实验

以上研究成果以《Thermo and light-responsive strategies of smart titanium-containing composite material surface for enhancing bacterially anti-adhesive property》为题在化工领域权威期刊Chemical Engineering Journal, 2020, IF:10.652)上发表。该论文第一作者为林璟副教授。

论文链接： 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720319112

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