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  據(jù)科學(xué)家推斷：約10³¹個(gè)細(xì)菌存在于地球上，典型的霍亂是一種傳染性非常強(qiáng)的細(xì)菌感染疫情，在全球范圍內(nèi)，每年大約有130萬到400萬人被霍亂侵襲，并造成2.1萬至14.3萬人死亡。細(xì)菌通過空氣由物至人或人至人傳播黏附于人體是致病菌傳播的重要原因之一，且細(xì)菌在各物體表界面的黏附對(duì)化工工業(yè)、海洋船舶防腐防污、給水工程、醫(yī)學(xué)工程、材料工程等國計(jì)民生工程和國家重大戰(zhàn)略需求領(lǐng)域，也造成難于估量的巨大危害，尤其對(duì)工業(yè)金屬制品產(chǎn)生的微生物腐蝕更是不容忽視。研究顯示：抑制細(xì)菌微生物危害的一種可行性方法是構(gòu)筑抗細(xì)菌黏附表面，以阻止細(xì)菌的初始黏附，阻止細(xì)菌生物膜的進(jìn)一步危害。迄今為止，細(xì)菌在各表面的抗黏附仍然是一個(gè)需求突破的技術(shù)瓶頸。

  為攻關(guān)各類難題，突破技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)不斷探索高效抗菌分子的設(shè)計(jì)合成和抗黏附表面構(gòu)建技術(shù)：

  ①為探究新型的高效抗菌分子，設(shè)計(jì)合成了一種仿生甲殼蟲狀的抗菌大分子(International Journal of Biological Macromolecules 2020,157:553-560); 

  ②為解決多孔粗糙纖維表面由于毛細(xì)管力吸附作用易黏附細(xì)菌的難題，提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態(tài)表面構(gòu)建技術(shù)，細(xì)菌液滴被空氣層懸浮在其表面（ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10: 6124–6136, ESI高被引，熱點(diǎn)論文) ;

  ③為探究在任意異型表面構(gòu)筑抗細(xì)菌黏附表面技術(shù)，研究開發(fā)了一種簡易噴涂抗細(xì)菌黏附微球的技術(shù)，提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細(xì)菌黏附模型，并論證了超疏水疏油/超疏水水下疏油特性是疏水表面抗細(xì)菌黏附的內(nèi)在機(jī)制，首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細(xì)菌黏附的內(nèi)在機(jī)制（Journal of Materials Chemistry A, 2019, 7：26039– 26052）;

  ④提出實(shí)現(xiàn)了抗細(xì)菌黏附技術(shù)在基于Cassie-Baxter潤濕狀態(tài)下具有抗液體干擾和抗細(xì)菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應(yīng)變傳感器中的應(yīng)用（Advanced Functional Materials, 2020, 30 (23): 2000398）。

  因萬物處于復(fù)雜多變的環(huán)境中，抗細(xì)菌黏附表面技術(shù)也面臨著環(huán)境變化的影響，為避免和利用環(huán)境變化的影響，智能響應(yīng)技術(shù)在增強(qiáng)抗細(xì)菌黏附性方面發(fā)揮了重要的作用。近期，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出在金屬鈦板上構(gòu)建了鈦基TiO₂納米管陣列，然后再噴涂接枝自制的智能響應(yīng)抗菌抗黏附高分子，以實(shí)現(xiàn)溫度和光響應(yīng)增強(qiáng)抗細(xì)菌黏附性策略（圖1）。圖2揭示了構(gòu)造一個(gè)內(nèi)在的抗菌表面是殺死和阻止細(xì)菌繁殖的一個(gè)重要策略，純TiO₂納米管對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別只有52.37%和48.84%，而修飾了智能響應(yīng)抗菌抗黏附高分子后的TiO₂納米管的抗菌率增加至98.82%，表明抗細(xì)菌黏附高分子在抗菌中起主導(dǎo)作用，其抗菌機(jī)理如圖2C所示，抗菌材料通過靜電作用破壞細(xì)菌細(xì)胞壁，高分子的烷基鏈穿透細(xì)胞壁，導(dǎo)致細(xì)胞膜變形、破損和細(xì)胞質(zhì)成分滲漏，細(xì)菌最終死亡。

圖1 溫度和光響應(yīng)增強(qiáng)抗細(xì)菌黏附表面P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti構(gòu)建示意圖

圖2抗菌率（a）、不同接枝濃度的復(fù)合表面（CM1、CM2、CM3、CM4、CM5）對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌（b）的熒光顯微鏡圖，以及復(fù)合表面的抗菌機(jī)理（c）。

  抗細(xì)菌黏附溫度響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)：構(gòu)建的復(fù)合表面P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti 的相轉(zhuǎn)變溫度為42.2℃，考察了3個(gè)不同溫度（4℃，37℃，55℃）水環(huán)境中的細(xì)菌黏附情況。圖3表明：在較低的溫度（4℃）下，復(fù)合表面的高分子聚合物鏈中的PVCL朝向水相中延伸，大量結(jié)合水分子使PVCL分子鏈處于溶脹狀態(tài)，此時(shí)的PVCL是極度親水的。另外，由于聚合物鏈中的親水組分PEGMA也能額外的結(jié)合水分子形成水化層，二者的相互協(xié)同作用導(dǎo)致了復(fù)合表面在水環(huán)境中具有一個(gè)高強(qiáng)度的水化層，在復(fù)合表面和細(xì)菌之間形成一個(gè)強(qiáng)有力的阻隔層，因此復(fù)合表面體現(xiàn)出其極強(qiáng)的細(xì)菌抗黏附特性。在接近生理溫度（37℃）時(shí)，但仍低于相轉(zhuǎn)變溫度，此時(shí)PVCL分子鏈仍舊處于溶脹狀態(tài)，但是相對(duì)的溶脹程度低于4℃，復(fù)合表面的水化層強(qiáng)度較于4℃減小，但仍舊具有較高的細(xì)菌抗黏附特性（大腸桿菌抗黏附率：86.66%，金黃色葡萄球菌抗黏附率：93.28%）。當(dāng)溶液溫度高于相轉(zhuǎn)變溫度（55℃）時(shí)，復(fù)合表面的高分子聚合物鏈中的PVCL反向水相，PCVL分子鏈向內(nèi)皺縮，暴露出大量的疏水位點(diǎn)，導(dǎo)致PVCL與水分子間的氫鍵減少，從而導(dǎo)致相分離。此時(shí)的復(fù)合表面由于處于相分離狀態(tài)，表面水化層效果削減到最弱或者幾乎沒有，在此狀態(tài)下細(xì)菌極易黏附在復(fù)合表面上，復(fù)合表面體現(xiàn)出較低的細(xì)菌抗黏附特性。為此，調(diào)控至冷環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)抗細(xì)菌黏附熱響應(yīng)增強(qiáng)效應(yīng)。

圖3 抗細(xì)菌黏附溫度響應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理

圖4 抗細(xì)菌黏附光響應(yīng)增強(qiáng)機(jī)理

  抗細(xì)菌黏附光響應(yīng)增強(qiáng)技術(shù)：除了溫度響應(yīng)增強(qiáng)外，還嘗試構(gòu)建了另一種智能響應(yīng)細(xì)菌抗黏附增強(qiáng)方法，作為常用的光敏材料，TiO₂納米管具有光致親水性，可用于自清潔和防污應(yīng)用。以TiO₂納米管為基底材料構(gòu)建的納米/聚合物復(fù)合表面具有良好的光響應(yīng)性。圖4表明：當(dāng)紫外光（hv）照射在TiO₂納米管陣列表面時(shí)，hv誘導(dǎo)價(jià)帶電子向?qū)嵘�，從而產(chǎn)生價(jià)帶空穴（h⁺_VB）和e^-_CB，與H₂O和O₂分子作用在TNTs表面上產(chǎn)生大量的·OH自由基，這些自由基進(jìn)一步與細(xì)菌液體中的水分子作用形成氫鍵，使得復(fù)合表面快速包裹一層水合層，極大的阻隔細(xì)菌黏附在表面，體現(xiàn)出極強(qiáng)的細(xì)菌抗黏附性。隨著光照時(shí)間增加，TiO₂納米管陣列羥基數(shù)量也增多，更多的羥基能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的水化層作用，復(fù)合表面的水合層屏障阻隔效果更強(qiáng)，表現(xiàn)出細(xì)菌抗黏附性增強(qiáng)。為此，紫外光環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)抗細(xì)菌黏附光響應(yīng)增強(qiáng)效應(yīng)。

  為了評(píng)價(jià)P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti復(fù)合材料在生物材料領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，通過體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)估復(fù)合材料的生物安全性能（圖5）。CCK-8試劑盒評(píng)估了該復(fù)合材料對(duì)小鼠胚胎成纖維細(xì)胞（NIH/3T3細(xì)胞）細(xì)胞活力的影響，證明了該復(fù)合材料具有良好的體外生物相容性。并進(jìn)一步評(píng)價(jià)P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti復(fù)合材料在促進(jìn)細(xì)菌感染傷口愈合中的實(shí)際應(yīng)用，采用蘇木精-伊紅（H&E）染色收集傷口組織的組織學(xué)圖像，觀察和評(píng)價(jià)感染傷口感染情況（圖5a）。與原始鈦板治療后產(chǎn)生的大量免疫細(xì)胞、免疫因子并造成嚴(yán)重的組織壞死相比，復(fù)合材料處理的創(chuàng)面組織感染少，組織結(jié)構(gòu)完整，說明其具有有效的抗傷口感染作用，且復(fù)合材料不會(huì)對(duì)大鼠的主要器官如心、肝、脾、肺和腎造成異常或損害（圖5b），說明智能響應(yīng)增強(qiáng)型抗細(xì)菌黏附材料P（VCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO）/TNTs/Ti不僅在化工工業(yè)、海洋船舶防腐防污、給水工程、材料工程，且在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域都具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖5 體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)和體內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

  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》為題在化工領(lǐng)域權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal, 2020, IF:10.652)上發(fā)表。該論文第一作者為林璟副教授。

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