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《Chemical Engineering Journal》發表我校化學化工學院林璟副教授研究團隊最新成果:智能響應抗細菌黏附增強技術

來源:     作者:    編輯:chen    發布時間:2020-09-15 09:56    點擊數: Views

據科學家推斷:約1031個細菌存在于地球上,典型的霍亂是一種傳染性非常強的細菌感染疫情,在全球范圍內,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,且細菌在各物體表界面的黏附對化工工業、海洋船舶防腐防污、給水工程、醫學工程、材料工程等國計民生工程和國家重大戰略需求領域,也造成難于估量的巨大危害,尤其對工業金屬制品產生的微生物腐蝕更是不容忽視。研究顯示:抑制細菌微生物危害的一種可行性方法是構筑抗細菌黏附表面,以阻止細菌的初始黏附,阻止細菌生物膜的進一步危害。迄今為止,細菌在各表面的抗黏附仍然是一個需求突破的技術瓶頸。

 為攻關各類難題,突破技術瓶頸,研究團隊不斷探索高效抗菌分子的設計合成和抗黏附表面構建技術:①為探究新型的高效抗菌分子,設計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管力吸附作用易黏附細菌的難題,提出了超疏水超疏油Cassie-Baxter狀態表面構建技術,細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,熱點論文) ;③為探究在任意異型表面構筑抗細菌黏附表面技術,研究開發了一種簡易噴涂抗細菌黏附微球的技術,提出了親水阻抗和疏水排斥型兩種抗細菌黏附模型,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菌黏附的內在機制,首次通過分子模擬闡述水化層阻抗是親水表面抗細菌黏附的內在機制(Journal of Materials Chemistry A, 2019, 726039– 26052;④提出實現了抗細菌黏附技術在基于Cassie-Baxter潤濕狀態下具有抗液體干擾和抗細菌黏附的高拉伸性和超靈敏可穿戴柔性應變傳感器中的應用(Advanced Functional Materials, 2020, 30 (23): 2000398)。

因萬物處于復雜多變的環境中,抗細菌黏附表面技術也面臨著環境變化的影響,為避免和利用環境變化的影響,智能響應技術在增強抗細菌黏附性方面發揮了重要的作用。近期,研究團隊進一步提出在金屬鈦板上構建了鈦基TiO2納米管陣列,然后再噴涂接枝自制的智能響應抗菌抗黏附高分子,以實現溫度和光響應增強抗細菌黏附性策略(圖1)。圖2揭示了構造一個內在的抗菌表面是殺死和阻止細菌繁殖的一個重要策略,純TiO2納米管對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別只有52.37%48.84%,而修飾了智能響應抗菌抗黏附高分子后的TiO2納米管的抗菌率增加至98.82%,表明抗細菌黏附高分子在抗菌中起主導作用,其抗菌機理如圖2C所示,抗菌材料通過靜電作用破壞細菌細胞壁,高分子的烷基鏈穿透細胞壁,導致細胞膜變形、破損和細胞質成分滲漏,細菌最終死亡。

 

        
1 溫度和光響應增強抗細菌黏附表面PVCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO/TNTs/Ti構建示意圖

 

 

       

2抗菌率(a)、不同接枝濃度的復合表面(CM1CM2CM3CM4CM5)對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌(b)的熒光顯微鏡圖,以及復合表面的抗菌機理(c)。

 

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

 

         

3 抗細菌黏附溫度響應增強機理

 

         

4 抗細菌黏附光響應增強機理

 

抗細菌黏附光響應增強技術除了溫度響應增強外,還嘗試構建了另一種智能響應細菌抗黏附增強方法,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用。以TiO2納米管為基底材料構建的納米/聚合物復合表面具有良好的光響應性。圖4表明:當紫外光(hv)照射在TiO2納米管陣列表面時,hv誘導價帶電子向導帶提升,從而產生價帶空穴(h+VB)和e-CB,與H2OO2分子作用在TNTs表面上產生大量的·OH自由基,這些自由基進一步與細菌液體中的水分子作用形成氫鍵,使得復合表面快速包裹一層水合層,極大的阻隔細菌黏附在表面,體現出極強的細菌抗黏附性。隨著光照時間增加,TiO2納米管陣列羥基數量也增多,更多的羥基能夠產生更強的水化層作用,復合表面的水合層屏障阻隔效果更強,表現出細菌抗黏附性增強。為此,紫外光環境可以實現抗細菌黏附光響應增強效應。

為了評價PVCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO/TNTs/Ti復合材料在生物材料領域的潛在應用,通過體外細胞實驗和體內動物實驗綜合評估復合材料的生物安全性能(圖5)。CCK-8試劑盒評估了該復合材料對小鼠胚胎成纖維細胞(NIH/3T3細胞)細胞活力的影響,證明了該復合材料具有良好的體外生物相容性。并進一步評價PVCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO/TNTs/Ti復合材料在促進細菌感染傷口愈合中的實際應用,采用蘇木精-伊紅(H&E)染色收集傷口組織的組織學圖像,觀察和評價感染傷口感染情況(圖5a)。與原始鈦板治療后產生的大量免疫細胞、免疫因子并造成嚴重的組織壞死相比,復合材料處理的創面組織感染少,組織結構完整,說明其具有有效的抗傷口感染作用,且復合材料不會對大鼠的主要器官如心、肝、脾、肺和腎造成異常或損害(圖5b),說明智能響應增強型抗細菌黏附材料PVCL-co-QAS-co-PEGMA-co-VTMO/TNTs/Ti不僅在化工工業、海洋船舶防腐防污、給水工程、材料工程,且在生物醫學材料領域都具有較大的經濟價值和應用前景。

 

                

5 體外細胞實驗和體內動物實驗

 

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》為題在化工領域權威期刊Chemical Engineering Journal, 2020, https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125783, IF:10.652)上發表。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



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