抗菌抗细菌黏附材料表面构筑方法的研究进展

2022-05-13李潮韦余文华陈之善林璟

当代化工研究 2022年8期

＊李潮韦余文华* 陈之善林璟

（1.广州大学生命科学学院广东 510006 2.清远高新华园科技协同创新研究院有限公司广东 511517 3.广州大学化学化工学院广东 510006）

有害细菌在材料表面的黏附及后续形成的生物膜在人类社会生活中会导致一系列严重的问题。在水处理行业，细菌生物膜会影响水质造成管道腐蚀；在医疗领域，有害细菌黏附在设备表面导致感染疾病致死人数高达超1700万人，占全球医院外源性感染的64%；在海洋运输行业，细菌等微生物在船舰的黏附和形成的生物膜，增加了船舰的摩擦阻力，导致燃料消耗增加及运输速度下降[1-3]。开发能够抵抗细菌污染的表面是解决此类问题的重要途径之一，亦为近年来材料科学领域内的研究热点。

目前材料表面抵抗细菌污染的策略常分为2种：（1）引入金属离子、季铵盐类等抗菌剂构建的抗菌表面，以阻止细菌繁殖和形成生物膜；（2）表面化学修饰构建抗细菌黏附表面；这两种表面的研究均已取得系列的研究成果[4-5]，但缺乏系统性的分析总结综述，本文拟结合课题组的研究成果以及系统性分析相关文献予以综述抗细菌黏附表面构建技术和应用。

1.抗菌表面的构筑方法

抗菌表面可以将附着在表面的细菌杀死，进而阻止细菌繁殖及形成生物膜，其构筑方法可分为接触杀菌型和释放杀菌型，如图1所示[6]。

图1 接触杀菌型和释放杀菌型表面的抗菌作用机制示意图[1]

构筑接触杀菌型表面通常使用接枝法将抗菌活性物接枝修饰于表面。例如，Yang等[7]通过连续紫外线诱导将 2-（二甲基胺）甲基丙烯酸乙酯接枝聚合固定在微孔聚丙烯膜表面，然后用氯苯或碘甲烷做季铵化，使微孔聚丙烯膜具有抗菌性能，膜表面对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有很高的接触杀菌性，5min接触时间可达到100%的杀菌效率。Kim等[8]使用自制的叠氮丁基缩水甘油醚（ABGE）、异丁基缩水甘油醚（IBGE）和乙氧基缩水甘油醚（EEGE）来模拟抗菌肽（AMPs）中存在的关键氨基酸：赖氨酸、亮氨酸、丝氨酸的残基，并结合在具有高度生物相容性的聚乙二醇（PEG）主链上，最终制备了一种基于PEG的共聚物，其对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌等多种细菌表现出强烈的杀菌作用。Sang等[9]将庆大霉素-丝蛋白（GS-Silk）分别涂覆到关节假肢材料的钛、聚乙烯和氧化铝材料上，实验证明了庆大霉素-丝蛋白涂层可以有效地将庆大霉素加载到钛、聚乙烯和氧化铝材料上，并随着溶液pH的变化改变庆大霉素的释放率，在体内外对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有很强的杀菌作用。

2.抗细菌黏附表面的构筑方法

抗黏附表面可以抵抗细菌在表面的初始附着，其构筑通常可利用水热法、刻蚀法、溶胶-凝胶法、阳极氧化法、自组装技术等多种方法修饰表面，构建出超疏水或超亲水型抗细菌黏附表面。

超疏水性表面的抗细菌黏附主要归因于微纳米结构的低表面能，将细菌液滴悬浮于其表面，液体-固体之间存在的空气层使得细菌液滴在其表面上的接触点位减少，从而降低细菌黏附。例如，Privett等[10]报道了一种含氟二氧化硅胶体、氟烷氧基硅烷和骨架硅烷的超疏水性抗细菌黏附涂层，对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抗黏附率分别达到99.0%和98.2%。超亲水表面能够抗细菌黏附主要归因于亲水材料能够在表面附近结合水分子形成水化层，从而阻隔细菌与表面的相互接触，实现抗细菌黏附作用，如图2所示[11]，常用的亲水聚合物有PEG、聚丙烯酸（PAA）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯醇（PVA）等。例如，Shi等[12]使用阳极氧化法、溶胶-凝胶法制备了一种超亲水性聚丙烯酸和聚甲基丙烯酸纳米纤维膜表面，对铜绿假单胞菌、硫酸盐还原菌、脱硫弧菌和硅藻均达到了99%以上的抗细菌黏附性能。

图2 超亲水表面抗细菌黏附模型示意图[11]

3.抗菌协同抗黏附表面的构筑方法

随着研究的深入，人们发现将抗菌和抗黏附有机结合可以进一步提高表面的抗细菌黏附性能。通常情况下构建这类表面可以采用聚合、改性等多种方式将2种组分混合制备成涂层，然后涂覆于材料表面。例如，本课题组[14]成功合成由一系列抗菌功能的不同烷基链长度的反应型季胺盐单体与抗黏附性低表面能含氟丙烯酸单体共聚制备得到阳离子氟化聚合物乳液，并喷涂于棉织物上，所有整理的织物对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率达99.98%和98.36%，抗黏附率分别达到99.63%和99.14%，其原因是季铵盐单体和氟化侧链的协同作用可以显著增强抗菌活性，且氟成分的疏水性（水接触角122.8°）和低表面能提高了抗细菌黏附率。Wang等[15]采用一步自组装法合成了一种新型三聚物，抗菌性达到98%，且对细菌、细胞及蛋白质具有良好的抗黏附能力。采用沉积、接枝等方法在抗黏附表面植入杀菌剂也可达到抗菌抗黏附效果。Song等[15]将二氢卟吩与超疏水棉纤维表面化学结合，达到了约90%的抗黏附率，且少量黏附的细菌可由材料引发的活性氧完全杀死。

4.环境响应型智能抗菌抗黏附表面的构筑方法

材料表面往往处于各种复杂的环境下，环境响应逐渐被重视，由此，研究人员构建出环境响应型智能抗菌抗黏附表面，一般包括温度、pH、光、热响应等多种类型。

(1)温度响应型智能抗菌抗黏附表面

聚（N-异丙基丙烯酰胺）是研究最多的温敏型反应聚合物，其临界溶液温度（LCST）约为32℃，当温度处于LCST之上时，收缩的聚合物链促进了细菌的附着，并暴露出杀菌剂，当温度降到LCST以下时，膨胀的PNIPAAm链就促进了死细菌的释放，通常可以使用接枝、聚合等方法引入表面，达到响应效果。例如，Yang等[16]采用一步光聚合法制备了具有抵抗细菌初始黏附和“杀菌-释菌”智能响应的Ag NPs/PNIPAAm功能表面，在Ag NPs和PNIPAAm的协同作用下，Ag NPs/PNIPAAm功能表面具有智能的抗菌抗黏附功能，在37℃时杀死大量的细菌，并在4℃时能够阻抗细菌。

(2)pH响应型智能抗菌抗黏附表面

当细菌在材料表面定植和生成生物膜时，细菌代谢会产生有机酸，使得局部pH下降，基于这一原理，能够响应pH变化的智能抗菌抗黏附表面得以被开发。例如，Yan等[17]利用分层聚合物刷结构制备了一个可逆的、非浸出杀菌剂表面，在该结构中，pH响应聚合物聚（甲基丙烯酸）（PMAA）作为外层以调节表面行为，AMPs作为抗菌剂被固定在内层。在正常生理条件下表面的PMAA水化层显著抑制了细菌的初始黏附，当少量细菌黏附时，细菌诱导的酸化将驱动膨胀的PMAA链暴露出内部的抗菌肽，当pH增加时，PMAA链恢复其亲水性，死的细菌就可以被释放出来。

(3)光响应型智能抗菌抗黏附表面

光具有在调控智能表面中独有的特性是一种在时间、空间、强度等因素上可调控的远程刺激响应环境因素，具有快速反应、非侵入性、低副作用等优点。偶氮苯类的光反应分子可对不同波长的光产生可逆反应，通过简单的自组装技术将其基团引入，可制备出光响应型抗菌抗黏附智能表面。例如，Wei等[18]构建了1个含Azo基团与7个季铵盐基团（CD-QACs）共轭的杀菌β-环糊精衍生物的表面，反式的表面固定化Azo基团可以结合CD-QACs，可杀死90%以上附着的细菌，在紫外线照射下，Azo基团转变为顺式，此时Azo/CDQAS复合物分离，并从表面释放死亡细菌。

(4)双重响应型智能抗菌抗黏附表面

近年来，随着智能表面研究的进一步发展，能够对两种外部刺激因素产生响应的智能表面逐渐被开发，其可以更好地适应不同的外在环境。

林璟课题组[19]以二氧化钛纳米管/钛（TNT）/Ti为基底，接枝热敏型N-乙烯基己内酰胺（NVCL），共聚乙二醇甲基丙二酸酯（PEGMA）、十六烷基-二甲基叔胺（QAS）和乙烯基三甲氧基硅烷（VTMO），制备了一种光/热响应型抗菌抗黏附智能表面，表面以QAS为抗菌剂，PEGMA中含羟基侧链可以与细菌生存环境条件下的水分子结合，并在复合表面形成水合层以抵抗细菌附着，降低温度刺激的热响应可使NVCL段发生可逆构象变化和水化-脱水转变，提升抗细菌黏附性，光响应致使TNT阵列发生光诱导亲水性，表面形成水合层，从而阻抗细菌的黏附。实验表明，复合表面对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌杀菌率达99.86%，抗黏附率达97.08%。