仿生微纳结构抗菌材料综述

诸葛依娜，刘福娟,1b,2

(1.苏州大学,a.纺织与服装工程学院；b.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州 215123；2.南通纺织丝绸产业技术研究院，江苏南通 226300)

近年来，人类在许多领域中广泛使用高分子材料，如工业、农业、医用生物、交通建筑、航天航空等领域，然而高分子材料在使用过程中容易与细菌、病毒等微生物接触，由于细菌黏附于材料的表面，在材料表面聚集并累积形成生物膜，最终会导致材料的腐蚀和变质[1-2]。据调查，每年全球大概有70万人是由产生耐药性的细菌感染而失去生命，而且随着时间的推移，人数将逐渐增加[3-6]。因此，随着科技与经济的不断发展，人们对日常生活和工作中的卫生与健康的要求不断提升，抗菌意识也不断增强[7-9]。

抗菌可以分为抗细菌黏附和杀菌两种[10]。抗细菌黏附是指通过低表面能的修饰，减少初始细菌附着的程度，从而干扰细菌生物膜的形成，但这种抗菌作用无法实现长期有效抗菌，随着时间推移，不可避免会再次被细菌感染；而杀菌则是通过材料表面的结构或抗菌剂有效杀死黏附在材料表面的细菌。因此，可以采用抗菌剂或构筑材料表面特殊结构来制备抗菌材料，一般制备抗菌材料有两类方法：一种是通过高分子聚合[11]、表面官能化及衍生化[12]、涂覆具有杀菌功能的涂层(抗生素、金属纳米粒子)[13]等方法进行表面化学改性；另一种是通过物理方法改变表面形貌结构来达到抗菌效果[14]。这两种方法制备出的抗菌材料均有一定的杀菌性能，但是化学作用抗菌有显著的缺点，如使用抗生素会使细菌产生耐药性；物理作用抗菌的物理化学稳定性好，不易产生耐药性[15]。

研究人员发现自然界中一些动植物在经过几百万年的进化历程之后，其表面具有一些特殊的微纳结构，赋予其抗菌的功能，例如，木棉纤维表面有大量的微孔，大麻纤维纤维表面有许多裂纹和孔洞，苎麻纤维有沟状空腔，管壁多孔隙以及蝉翼表面的纳米锥结构等[16-22]。木棉等天然抗菌纤维的微孔结构只能通过形成多氧环境，杀死厌氧性细菌，而蝉翼、蜻蜓翅膀等的微纳结构可以通过物理接触作用破坏细胞膜的完整性实现抗菌。受此启发，科研人员展开了聚焦仿生微纳结构的抗菌研究[23-25]。所以，本文针对仿生微纳结构抗菌材料的形貌、特点和抗菌机理进行了介绍，并总结了近年来基于仿生微纳结构的抗菌材料的种类及其制备方法，同时对仿生微纳结构的抗菌材料的抗菌效果进行评价，最后对抗菌材料的发展进行了总结和展望。

1 仿生微纳结构抗菌材料的形貌与特点

蝉翼具有特殊的纳米阵列结构，Sun等[20]研究调查了15种蝉翼，蝉翼表面纳米阵列有圆柱形、圆锥形或稍圆锥形。Fisher等[21]仿蝉翼微纳结构的仿生纳米锥抗菌材料的微纳结构单元直径为 100 nm～1 μm，纳米锥与纳米锥之间的距离为10～40 nm，高度为100 nm或者3～5 μm(见图1(a))，材料的水接触角为(114.5±2)°。弯艳玲等[26]对蜻蜓翅膀的表面微纳结构进行SEM表征，发现蜻蜓翅膀表面分布着排列无规律的纳米柱状结构，纳米柱的直径为67～201 nm，纳米柱与纳米柱之间的距离为20～650 nm。Ivanova等[27]仿蜻蜓翅膀的仿生纳米柱抗菌材料的纳米柱的直径为20～80 nm(如图1(b))，材料的水接触角为80°。

图1 仿生微纳结构抗菌材料的SEM照片[15, 21, 27-30]

Viela等[28]根据蛾眼的纳米突起物的杀菌作用，制备的仿生微纳结构抗菌材料具有与蛾眼类似的精细的纳米锥结构，如图1(c)所示。Green等[29]基于壁虎皮肤表面纳米尖端结构，制备了表面具有特殊小刺的抗菌材料，如图1(d)所示。谢远[15]根据猪笼草的内壁滑移区的表面纳米结构，制备了仿猪笼草内壁的仿生微纳结构抗菌材料，具有与猪笼草滑移区相似的纳米刀片网状结构，见图1(e)。Oh等[30]利用等离子体蚀刻技术制备了仿水稻叶抗菌材料，材料表面有纳米乳突结构，如图1(f)所示。

综上所述，仿生微纳结构的抗菌材料具有与天然生物抗菌表面相似的特点，即具有类似的独特且有规则的精细微纳结构，例如，纳米柱、纳米锥、纳米刺、纳米刀片网等，具有不同的结构单元，高度为几百纳米到几微米不等。且有些仿生微纳结构的抗菌材料(如仿蝉翼微纳结构抗菌材料)因低表面能而具有一定的疏水性。

2 抗菌机理

抗菌材料是一种可以通过化学或物理的方法来抑制细菌等微生物的生长增殖和存活特性的材料[31]。抗菌机理可以分为物理作用抗菌和化学作用抗菌。

2.1 细菌的黏附过程

细菌与材料表面接触引起感染的过程可以分为四个阶段，分别是细菌的黏附与增殖，细菌的聚集并累积从而形成多层细胞膜，细胞膜成熟和向外释放游离细菌和毒素。细菌与材料作用，循环反复这四个阶段，致使材料表面感染[32]。其中，第一阶段细菌的黏附与增殖是细菌的普遍性质，黏附现象的出现是因为材料或组织表面与细菌结合[33]。大部分细菌微生物参与细菌的黏附过程的主要组成有菌毛、肽聚糖、脂壁酸、夹膜以及细胞外黏质物等[34]。细菌的黏附过程可以归纳为两个阶段，如图2所示[35]。第一个阶段是通过范德华力、疏水性、表面电荷及表面张力等作用力相互作用的可逆附着阶段，即初始相互作用，该过程具有不确定性、选择性和可逆性。第二阶段是通过细菌与材料或组织表面的结合分子之间的特异性和非特异性相互作用的不可逆转阶段，即细菌黏附组织表面，开始分泌大量胞外代谢产物(如胞外DNA、蛋白质等)，进而形成微生物膜。

图2 细菌黏附过程

基于微生物学和界面科学原理分析，细菌的黏附是由细菌的种类、菌体之间的相互作用、菌体的表面特性以及材料表面的理化性能(如表面微观结构、表面能、表面亲水疏水平衡等)等多种因素作用的结果[36]。有研究表明，材料的亲水表面是细菌黏附和生物膜形成的主要因素，而疏水表面可以有效抑制细菌的黏附[37-39]。一些仿生微纳结构的抗菌材料具有低表面能，有一定的疏水性，能通过抑制细菌的黏附达到一定的抗菌效果。

2.2 物理作用抗菌

物理作用抗菌是指利用抗菌材料的自身结构，通过限制细菌的生长行为和破坏细菌细胞膜的完整性来实现抗菌[40]。如利用自身结构，形成多氧环境，限制厌氧性细菌生长，杀死厌氧菌的木棉纤维、大麻纤维以及苎麻纤维等[17,22,41]；通过微纳结构破坏细菌细胞膜的完整性，杀死接触表面的细菌，如蝉翼、蜻蜓翅膀和蛾眼等[27,42-43]。前者只能杀死厌氧性细菌。

图3显示了三维模拟蝉翼与细菌接触相互作用过程[44]。细菌在接触微纳结构时，纳米阵列的尖端与细菌发生小面积接触，因细菌自身的重量和黏附性能，细菌继续向下吸附，细菌的黏附面积增加，细胞膜开始受到缓慢的变形和拉伸，当纳米阵列对细菌细胞膜的受力大于细菌细胞膜的最大承受力时，纳米柱状刺穿细菌的细胞膜，完全破坏细菌结构，细菌死亡，从而达到抗菌效果。Cheeseman等[45]研究了以巨型单层囊泡(GUVs)为细胞生物学的一般模型，与具有微纳结构表面的材料接触，观察到GUVs的细胞被材料表面的纳米结构撕裂的过程，这进一步证实了微纳结构物理杀菌的机理。可见，物理作用抗菌主要是指通过抗菌材料表面的微纳结构与细菌之间相互作用，刺破细胞膜，使细菌死亡的微纳结构物理杀菌。

图3 三维模拟蝉翼表面纳米柱状阵列与细菌相互作用过程的生物物理模型

但是，近年研究认为[46-47]，微纳结构物理杀菌的机理是细菌在黏附于材料的纳米表面的过程时，发生了应力反应，释放多糖样细胞外聚合物(EPS)。当细菌想要离开不利纳米阵列表面时，由于EPS与纳米柱发生强黏附产生了剪切力，导致细菌的细胞膜拉伸破裂，细菌死亡(如图4)[47]。但是，Linklater等[48]利用标记追踪法标记伴刀豆球蛋白，研究大肠杆菌与蚀刻的纳米硅片阵列相互作用的过程。研究发现细菌接触纳米阵列后，3～5 min细菌破裂，而在这个过程细菌没时间分泌EPS。

图4 产生EPS的物理杀菌机理

微纳结构物理杀菌机理解释存在一定的差异，这差异的存在可能是因为微纳结构表面特征的不同以及微生物复杂的适应性。但目前物理作用抗菌机理普遍认为细菌死亡的本质是抗菌材料的微纳结构的物理机械性，即细菌黏附在材料表面的纳米阵列上，并向下吸附同时细胞膜发生拉伸变形，纳米阵列刺破细胞膜导致细菌死亡。

2.3 化学作用抗菌

化学作用抗菌可以分为光催化型抗菌和溶出金属离子抗菌等。光催化型抗菌是指在光的催化作用下，抗菌材料产生活性氧或活性空穴来抑制甚至杀死细菌的生长繁殖[49-52]。溶出金属离子抗菌是指抗菌材料通过溶解出金属离子产生毒性同时使周围的环境保持较高的杀菌浓度来破坏细菌的代谢活动[53]。

图5 ZnO的杀菌机理

3 仿生微纳结构抗菌材料的制备方法

制备仿生微纳结构抗菌材料的关键是人工构筑微纳结构表面，其制备方法可以分为模板法、刻蚀法、表面优化改性法以及这3种方法构筑微纳结构的综合应用[56]。模板法原理简单，但是模板容易被破坏，难以大面积制备微纳结构；刻蚀法不受基底的形状和大小的限制，比较灵活，但成本高、工艺复杂；表面优化改性法成本较低，构筑过程简单可控，但效率低。

3.1 模板法

模板法是一种简单、重复率高的制备纳米材料的方法，其以模板为主体，通过复制模板表面结构来获得仿生微纳结构[57]。例如，Li等[58]采用两步模板法，以聚乙烯醇硅氧烷基为印模材料，复制壁虎皮肤表面的纳米级的尖端结构。

3.2 刻蚀法

刻蚀法是采用无机、金属或聚合物高分子为基底，通过多种刻蚀技术来人工构筑微纳结构(如反应离子刻蚀、等离子刻蚀、纳米压印光刻以及电子束光刻等)[27,59-61]，效仿自然界中一些动植物的抗菌机制，获得仿生微纳抗菌材料的一种方法。例如，Ivanova等[27]采用相对简单的反应离子刻蚀法，仿生蜻蜓翅膀的表面结构，成功制备了具有高度大约为500 nm的纳米柱结构表面的抗菌材料。Michalska等[59]采用等离子刻蚀技术，控制蚀刻时间，人工构筑了不同长度、直径的纳米阵列结构。

3.3 表面优化改性法

采用各种方法(如化学合成法、自组装、3D打印等)来优化材料表面结构，使材料表面生长出纳米结构，从而达到物理抗菌效果[62-64]，其中化学合成法可以在材料表面合成各种纳米阵列结构[20]，如纳米锥、纳米柱、纳米刀片网等。例如，Ke等[46]制备氧化石墨烯(GO)“纳米薄片”，采用电泳沉积法一步步将GO纳米薄片覆盖于基底材料的表面上。这些GO纳米薄片取向随机，使材料表面结构类似纳米刀片网，当细菌与材料表面接触时，GO纳米刀片网“切”穿细菌的细胞膜，导致细菌结构破坏而死亡。Li等[62]采用化学沉积法，将原子沉积在基底形成种子层，再通过水热合成法，在材料表面生长出ZnO纳米棒，成功制备了具有物理穿刺和释放Zn2+协同作用抗菌的复合ZnO纳米棒阵列。Yi等[64]在基于蝉翼物理作用抗菌的机理的基础上，仿生纳米柱状阵列结构，即在不同的基底上，通过旋涂法得到ZnO种子，再通过水热法在含锌的盐溶液中制备出ZnO纳米柱状结构(如图6)。汤亚男[65]通过水热合成的方法，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面制备了仿生ZnO纳米柱状阵列结构，然后采用光还原法成功制备了结构仿生PDMS-ZnO/Au复合膜为抗菌材料。研究表明，该抗菌材料有良好的抗菌性，综合了光催化杀菌和物理杀菌，弥补了光催化抗菌材料在无光时无法杀菌的缺点。

图6 生长于不同基底上的ZnO纳米柱状阵列的SEM照片

此外，有学者将这些方法综合运用，构筑微纳结构。例如，Zhang等[66]为构筑纳米级的特殊结构，以二氧化钛-单壁碳纳米管(TiO2-SWNT)为基板，在基板上涂覆一层受紫外线光照射后易分解的氟硅烷，表面经紫外线照射被蚀刻，获得纳米阵列。

近年来，科研人员基于动植物天然物理作用抗菌的机理，采用刻蚀法、模板法、表面优化改性法以及几种方法综合应用，成功制备了多种仿生微纳结构抗菌材料，如，仿生多刺状[65-66]、仿生纳米柱[67]、仿生纳米刀片网以及双仿生双层纳米阵列抗菌材料等[15,21]。

4 仿生微纳结构的抗菌性评价

检测抗菌性能的方法有稀释法、扩散法、培养法、接触法以及震荡法[68-72]。抗菌材料的抗菌效果关键指标是杀菌率和杀菌速率，下面简要介绍仿生多刺状、仿生纳米柱、仿生纳米刀片网以及双仿生双层纳米阵列抗菌材料的抗菌效果。

4.1 仿生多刺状抗菌材料

多刺状结构(如海胆、苍耳和红毛丹等)除了有良好的吸附性，还具有比表面积大的优点[73]。基于仿生多刺状结构的光催化型杀菌的抗菌材料优于普通的光催化型的抗菌材料。例如，汤亚男[65]在基于结构仿生原理的基础上，同样通过水热法制备得到多刺状TiO2纳米粒子，随后通过光还原法制备多刺状TiO2/Au复合纳米粒子，并采用培养法对其进行了光催化杀菌测试，经可见光照射30 min。结果如表1所示，仿生多刺状TiO2/Au的杀菌率最高，高达99.8%，抗菌效果第二的是仿生多刺状TiO2。王玉梅等[74]对TiO2/Au的光催化灭菌活性进行了探究，光照60 min，结果表明TiO2/Au复合物的杀菌率为91.3%。通过以上研究表明，仿生多刺状TiO2的抗菌效果优于商业化TiO2，光照30 min的仿生多刺状TiO2/Au的抗菌效果依然优于光照 60 min 的TiO2/Au，因此，可以通过仿生海胆的多刺状结构，来增加抗菌材料的比表面积，进而改善材料的抗菌效果。

表1 不同条件下样品的杀菌率

4.2 仿生纳米柱抗菌材料

蝉翼、蜻蜓翅膀均具有纳米柱状阵列结构，有良好的物理作用抗菌性能。人工仿生纳米柱结构的抗菌材料亦有良好的抗菌性。例如，谢远[15]基于蜻蜓翅膀结构仿生原理，采用水热法，通过优化制备工艺，得到了阵列单元结构可控的不同的ZnO纳米阵列，探究了纳米柱状阵列单元结构与抗菌性能的关系。ZnO纳米柱状阵列的尖端的形貌对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌实验结果如图7所示。在实验条件相同情况下，随着ZnO纳米阵列单元的顶端直径由六棱锥状、六棱台状到六棱柱状过渡时，ZnO纳米阵列对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的物理杀菌性逐渐减弱，六棱锥状的ZnO纳米阵列的物理抗菌性能最优，1 min内对大肠杆菌的杀菌率为97.8%，对金黄色葡萄球菌的杀菌率为91.6%；不同阵列单元的ZnO纳米阵列在120 min后的杀菌率99%以上。结果表明，物理抗菌性能与纳米阵列的结构单元有关，杀菌率随着纳米棒的直径降低而升高，纳米阵列结构能够通过物理接触刺破细菌细胞膜而杀菌，ZnO纳米六棱锥状阵列有快速物理抗菌性能。

注：误差棒表示平均值±标准差

4.3 仿生纳米刀片网抗菌材料

目前发现的天然的物理杀菌结构除了纳米柱状阵列外，还有猪笼草的滑移区的纳米刀片网结构。例如，谢远[15]对猪笼草的滑移区表面结构的抗菌性进行了研究。结果表明，滑移区的纳米刀片网结构可以破坏大肠杆菌细胞膜的完整性；随后谢远基于结构仿生原理，采用制造工艺简单的水热法，人工制备了仿生纳米刀片网的可控抗菌材料，并研究了仿生纳米刀片网的密度与抗菌性能的关系，以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为标准菌液，其结果如图8所示。可以看出随着纳米刀片的密度增加，其抗菌性能有极大的提高，低密度、中密度和高密度合成纳米刀片网对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有优良的抗菌性。高密度的纳米刀片网结构有快速物理抗菌性，在前10 min内，对大肠杆菌的杀菌速率为2.2×104CFU/(cm2·min)，对金黄色葡萄球菌的杀菌速率为1.3×103CFU/(cm2·min)。结果表明，仿生纳米刀片网结构可以通过其自身结构进行物理抗菌，且高密度的仿生纳米刀片网抗菌材料有快速物理灭菌性能。

注：误差棒表示平均值±标准差

4.4 双仿生双层纳米阵列抗菌材料

双仿生双层纳米阵列可以有效地修复仿蝉翼的纳米柱阵列的缺陷(对革兰氏阳性菌抗菌性不高)，即在仿蝉翼的纳米柱阵列上采用对革兰氏阳性菌有良好抗菌效果的材料，进行二次仿生构成双仿生双层纳米阵列抗菌材料。在与细菌接触时，表层的抗菌材料快速杀菌，而仿蝉翼的纳米柱状阵列暴露，可进行长期抑菌。例如，叶敬[68]通过模板印刷法制备仿蝉翼的聚醚醚酮(PEEK)纳米柱状阵列结构，用对革兰氏阳性菌有良好的抗菌性的仿柳絮的ZnO纳米片进行修饰，制备双仿生双层纳米阵列的PEEK(简称DB-PEEK)抗菌材料，DB-PEEK抗菌材料的抗菌原理如图9所示。随后，以金黄色葡萄球菌和大肠杆菌为菌液，采用培养法，对仿蝉翼的单仿生PEEK(简称SB-PEEK)和DB-PEEK两种抗菌材料的抗菌效果进行评价，其结果如图10所示。无论是对金黄色葡萄球菌还是大肠杆菌，DB-PEEK的抗菌性都优于SB-PEEK。双仿生双层纳米阵列抗菌材料可以发挥双重抗菌性能，即快速杀菌和长期抑菌的作用。

图9 双仿生PEEK抗菌原理示意

图10 SB-PEEK和DB-PEEK的抗菌性能

仿生多刺状的抗菌材料利用多刺状结构，增加材料的比表面积，利用海胆似的多刺状结构，增加光反射和散射次数，提高光催化效率，增强抗菌效果，多刺状TiO2/Au抗菌材料对大肠杆菌的抗菌效果达到了99.8%。仿生纳米柱和仿生纳米刀片网抗菌材料均是通过表面微纳结构与细菌接触，刺破细菌的细胞膜，使细菌死亡。双仿生双层纳米阵列抗菌材料表层的仿柳絮状的ZnO纳米片和里层的仿蝉翼的纳米柱阵列使其具有快速杀菌和长期抑菌的特点，其中，DB-PEEK对金黄色葡萄球菌杀菌率可达100%，有双重抗菌性能。因此，这些仿生微纳结构抗菌材料都具有优异的抗菌性能。

5 总结与展望

细菌等微生物对材料的使用及人们的健康都产生了较大的影响，大多抗菌材料以使用抗菌剂为主，使细菌更易产生耐药性。而自然界中动植物利用自身微纳结构也能达到抗菌效果，不会使微生物产生耐药性。天然抗菌纤维(如木棉纤维、大麻纤维和苎麻纤维等)的微孔、裂纹和沟状空腔等结构通过形成多氧环境，使厌氧性细菌无法存活；蝉翼、蜻蜓翅膀和猪笼草等纳米锥、纳米刀片网结构通过刺破接触表面的细菌细胞膜，杀死细菌，后者具有快速杀菌和长期抑菌的特点，因此，采用构筑微纳结构的方法制备的抗菌材料具有十分显著的优点，这很可能成为今后仿生微纳结构抗菌材料的研究热点。另外研究还发现，结构仿生抗菌材料的抗菌性与结构单元的直径和密度相关，直径小、密度大的纳米阵列有优异的物理抗菌性能。

目前，抗菌材料被广泛应用于众多领域中，随着物理杀菌机理的深入研究，仿生微纳结构在抗菌领域具有巨大潜力。开发具有快速杀菌、长期抑菌的仿生微纳结构抗菌材料和如何运用到各个领域将是未来的研究热点。但是，若物理杀菌后不清理，细菌残骸堆积在抗菌材料表面，会影响抗菌材料的使用寿命。因此，在今后的研究方向中，科研人员将着重考虑微纳结构的物理抗菌与自清洁相结合，以延长仿生微纳结构抗菌材料的寿命。同时，还可探究如何在纺织品材料表面构筑仿生微纳结构，将物理抗菌应用于纺织品领域，并研究微纳结构抗菌材料与纺织品复合后的抗菌效果、界面性能以及服用评价等。希望达到预期，仿生微纳结构将会被人们更好地使用。