北科大王鲁宁团队《JMST》特邀综述：抗菌防粘表面设计！

细菌粘附和生物膜的形成在世界范围内增加了健康和经济负担。植入材料的细菌感染会引起炎症甚至死亡。油气管道表面的微生物腐蚀(MIC)可能会造成重大的经济损失。据估计，中国的腐蚀成本约为3100亿美元，其中20%与MIC有关。在食品加工和处理设备上形成的生物膜可能导致食品污染和食源性疾病。生物膜是附着在基质上的有组织的细菌群落。生物膜内的细菌可以产生大量的胞外聚合物(EPS)，并在恶劣的环境条件下存活。在生物膜形成的早期，细菌在表面的粘附是不稳定的和可逆的。细菌感知到表面后，就会在表面上移动或固定。表面附着已成为防止生物膜形成的重要途径。表面改性能够减少细菌的粘附或杀死附着的细菌，近年来，表面图案、粗糙度和润湿性对细菌粘附的影响受到越来越多的关注。总结现有的粘附力测量和相互作用能计算方法，有助于分析细菌的抗粘附表面。

北京科技大学的王磊、王鲁宁等人从表面图案、粗糙度和润湿性方面概述了细菌与表面的相互作用。探讨了测量粘着力和计算相互作用能的方法。相关论文以题为“Bacterial anti-adhesion surface design: Surface patterning, roughness and wettability: A review”发表在Journal of Materials Science& Technology。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.05.028

细菌粘附是一个复杂的物理和化学过程，包括三个阶段：细菌向表面迁移、细菌可逆粘附和从可逆粘附到不可逆粘附的转变。（1）细菌向固体表面的运输取决于细菌种类和环境，不运动的细菌会受到重力、布朗运动和水动力的影响，而运动的细菌会主动向表面迁移，在靠近表面的路径上游动，增加粘附的概率；（2）当细菌附着在表面时，就会发生不稳定和可逆的细菌粘附，一般情况下，当细菌达到二次最小能量分离距离时，发生可逆粘附；（3）如果细菌进一步克服了能量障壁，细菌可以更接近表面底部，形成不可逆粘附，从可逆粘附到不可逆粘附需要细菌与表面更强的相互作用。

通过分析表面图案、粗糙度和润湿性对细菌抗粘附性的影响，发现表面图案需要根据应用选择。高纵横比纳米结构具有良好的杀菌活性，适用于医疗设备；尺寸接近1μm的图案具有抗粘附性，适用于食品加工设备。细菌的抗粘附性能通常来源于接触面积的减少，接触面积的变化可以通过粘附力来反映。细菌的分离和生物膜的分散很大程度上依赖于水动力。湍流比层流更能有效地去除附着的细菌和生物膜。

图1 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论和测量细菌表面粘附力的方法

图2 测量细菌表面粘附力和计算有图案、粗糙度、润湿性的改性表面上相互作用能的策略示意图

图3 高纵横比纳米结构的机械杀菌机理

图4 细菌在不同图案表面的粘附

图5 粗糙度的抗菌机理

微米级的粗糙度将细菌限制在深谷中，并保护它们免受流体剪切力的影响。光滑的表面适合附着细菌的运动，可增加细菌粘附概率。纳米粗糙度表面被公认具有较好的抗粘附性能，粗糙度的参数对表面抗粘附性能影响可以通过模拟来解决，DLVO理论与面元积分相结合可能是较好的选择。表面截留气泡的超疏水表面可防止细菌粘附。对于中度可湿性表面，疏水表面对细菌粘附提供的粘附力比亲水表面更高。

本文对细菌粘附与表面性质的关系进行综述，有助于细菌抗粘附领域的研究。通过对改性表面对细菌粘附作用的总结，有望促进抗粘附表面的有效设计。（文：破风）