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仿生微纳结构表面设计制备及抗菌性能研究

蒋如剑  
【摘要】:致病性细菌在材料表面粘附引发的医疗器械感染问题,给人类生命健康安全带来严峻挑战。抗生素作为现代医学重要的成果之一,它的发现和应用为对抗细菌感染问题提供了有力保障,然而以抗生素为代表的多种生化抗菌剂过量使用,直接诱发了多重耐药性细菌的产生,已经成为了临床领域新威胁。作为一种可替代方法,生物启发的纳米结构杀菌表面展现了优良的抗菌性能。不同于传统生化杀菌方式,该类型纳米结构杀菌表面则是通过微纳结构对细菌细胞的施加物理机械撕裂作用,将粘附到结构表面的细菌杀死。因此不存在引发细菌耐药性产生的风险,有望解决或者缓解由抗生素过度使用所导致的细菌多重药物耐受性问题。然而,仿生纳米结构杀菌的基础是结构对细菌所施加的非特异性作用力,只有当该作用力大于细菌细胞壁(膜)能够承受的应力时,细菌才会因自身细胞破裂而死亡。因此,目前大多数(尤其是聚合物基)单一功能纳米结构难以实现快速、高效、广谱的杀菌性能。除此之外,由于纳米结构材料的粗糙表面极易导致污染物粘附,被杀死的细菌会累积在材料表面,进而将杀菌结构覆盖,影响其进一步杀菌性能的发挥,使其难以实现长效、可重复性抗菌功能。本研究受仿生纳米结构抗菌性能启发,拟利用纯物理作用抗菌策略,实现安全、高效、广谱和长效的抗菌目标,从而有效避免生化学抗菌剂过度使用所引起的多重细菌耐药性等诸多问题。此论文分别以蝉翼表面纳米结构和荷叶表面微纳结构为模型,设计并制备出光热协同的复合结构抗菌表面、荷叶仿生微纳结构双功能抗菌表面以及温控响应型聚合物@纳米结构多功能抗菌表面。分别探讨了结构表面形貌、光热转化性能、润湿性以及聚合物链的温控响应性与抗菌性能之间的影响关系。主要研究内容如下:(1)光热协同的复合结构抗菌表面:通过对蝉翼表面纳米结构形貌特征分析,采用模板复制方法制备出聚合物基仿生纳米结构。针对单一结构杀菌功能表面杀菌效率低、速度慢、广谱抗菌性差等问题,利用单宁酸-铁离子络合物简单、快速的成膜机理,将具有光热效应的TA/Fe纳米涂层成功固定在仿生纳米结构表面,制备出了具有高效杀菌活性的复合纳米结构表面。近红外激光照射3 min,对革兰氏阴性和阳性细菌的杀死率均超过99%,实现了快速、高效、广谱抗菌表面功能。(2)荷叶表面微纳结构双功能抗菌性能的研究:首次提出并证明了拥有良好防污性能的荷叶表面,具有结构杀菌的能力。研究表明荷叶表面乳突结构所覆盖的纳米柱状物,是赋予表面结构抗菌的根本原因。抗菌测试结果表明,荷叶表面优异的超疏水特性能够抵御大部分污染物和细菌初始阶段的侵袭,后期即使有细菌粘附到表面也能够被有效杀死。杀菌机理研究表明,荷叶表面化学物质不是导致细菌死亡的原因,证明了荷叶表面的物理结构对细菌具有灭活作用。荷叶表面这种完全基于物理效应的双功能协同抗菌方式,不会诱发任何细菌耐药性的产生,为构建以物理结构为基础的长效抗菌表面提供了新的灵感和思路。(3)仿生微纳结构双功能抗菌表面:受荷叶表面微纳结构协同抗菌性能启发,设计并利用等离子体刻蚀与水热合成的方法构建了仿生微纳结构表面,经过化学修饰获得超疏水表面。对不同结构形貌尺度与表面润湿性能、抗菌性能之间关系进行分析,发现相较于单一尺度(一级微米结构或者一级纳米结构)表面,拥有二级尺度的微纳结构表面能够表现出更加优异的超疏水效果,其静态水接触角大于174°,而滚动角则小于1°。因具有优异且稳定的超疏水性能,仿生微纳结构表面与细菌共培养24 h以后依然保持高效抗细菌粘附性能,即使有少量细菌粘附到材料表面,也能被纳米结构所杀死。本研究表明,超疏水赋予表面的防御性与结构赋予表面的杀菌性,其功能实现是逐次的,构建基础是同步的,不存在功能之间的相互干扰与削弱。此工作为纯物理、长效、非耐药性抗菌表面的构建提供了新思路。(4)温度刺激响应性多功能结构抗菌表面:以实现结构表面死细菌及污染物主动和可控的脱附为目的,率先利用可控光引发表面接枝技术,在纳米结构表面引入具有温度响应性构象改变的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)分子链,成功制备出PNIPAA@Zn O的多功能抗菌复合纳米柱状结构。通过环境温度调节,实现了复合结构多重抗菌功能之间的相互转化:在环境温度低于PNIPAAm的低临界溶解温度(LCST)时,复合纳米结构表面表现出良好的抗细菌粘附性;升高环境温度到PNIPAAm的LCST以上时,PNIPAAm分子链收缩,纳米杀菌结构得以暴露而表现出优异的杀菌性能,其杀菌率大于99%;当环境温度再次下降到PNIPAAm的LCST以下时,粘附在结构表面的死细菌可以被有效排出,复原初始的抗细菌粘附表面。此工作通过精确控制PNIPAAm分子链接枝量,巧妙利用PNIPAAm在不同温度下分子链的构象变化,既保留了结构本身独特的物理机械杀菌性能,又实现了主动可控的细菌释放功能,为构建智能、长效、可重复使用的杀菌表面提供了新参考。


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