“不良”細菌微生物的黏附危害是化學化工工業、食品工業、臨床醫學、生物醫用材料、生化工程、海洋船舶防腐防污、工業和飲用水安全等研究和應用領域中涉及的一個具有共性的、基礎性和普遍性的重大問題，為此科學家們通過構筑和調控接觸或釋放型抗菌、超疏水和超親水超潤濕表面等防細菌黏附科學方法和戰略實現在基底表面防細菌等微生物的黏附，以防止生物膜的形成，近年來取得了很大的進步！
廣州大學林璟副教授團隊在前期研究中突破了在粗糙和多微孔結構表面抗黏附欠缺的難題，該研究成果報道在美國化學學會《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上Durably Antibacterial and Bacterially Antiadhesive Cotton Fabrics Coated by Cationic Fluorinated Polymers， ACS Applied Materials & Interfaces, 2018,10(7):6124–6136，并入選為ESI高被引論文和熱點論文。課題組在長期的研究積累中發現：通常采用主動攻擊（殺滅細菌）和被動防御（抵抗或排斥細菌附著）兩種抗生物膜策略，在指定的材料表面進行修飾，如原位表面官能化、衍生化、聚合接枝或結構化修飾等方法構筑防黏附抗生物膜表面，此類方法在現有異形設備和特定潤濕性需求方面受到了限制。為此，研究此法并不局限于指定的材料表面，也并不限制其表面單一的潤濕性，具有較強的通用性。研究成果發表在英國皇家化學會的國際權威期刊《JMCA》上，A new anti-biofilm strategy of enabling arbitrary surfaces of materials and devices with robust bacterial anti-adhesion via spraying modified microspheres method，Journal of Materials Chemistry A, 2019, DOI: 10.1039/C9TA07236E.
如圖1所示，提出了一種抗黏附防生物膜新策略，通過在任意材料和設備表面簡易噴涂自制功能微球，可實現構筑具有抗菌和防粘附性的表面，防止生物膜的形成。這一策略和發現為抗生物膜的設計開辟了新的途徑。
圖1一種抗黏附防生物膜新策略
所提自制功能性微球如圖2所示，成功合成出了可控尺度的2微米的親水型MPS/Ag功能微球，其表面接枝了具有抗菌鰲合親水型聚合物，微球的抗菌率達到99.9%以上。
圖2（a）HPS，MPS-2/Ag0.1，MPS-2/Ag0.3，MPS-2/Ag0.6和MPS-2/Ag0.9的SEM圖。（b）ICP-AES圖（HPS，MPS-2/Ag0.1，MPS-2/Ag0.3，MPS-2/Ag0.6和MPS-2/Ag0.9納米銀含量）（c）HPS，MPS-2/Ag0.1，MPS-2/Ag0.3，MPS-2/Ag0.6和MPS-2/Ag0.9的抗菌率。（d）抗菌微球（空白，HPS，MPS-2/Ag0.1，MPS-2/Ag0.3，MPS-2/Ag0.6和MPS-2/Ag0.9）的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌熒光顯微鏡圖。
利用微球噴涂于各類材料基底上，可構筑親水型防細菌黏附表面，并達到98%以上的抗黏附率，可廣泛應用于金屬、玻璃、過濾紙、木頭、紙張，尿不濕，襪子等親水型表面。研究結果表明：通過調節PEGMA可實現不同潤濕性和防細菌黏附性的調控，隨著接枝PEGMA的提高，親水性和水下疏油性提高，并首次通過分子模擬（MD simulation）闡述水化層對于親水表面防細菌黏附的內在機制（如圖3所示）。
圖3(a)親水型表面(10％，30％和60％PEGMA)的防細菌黏附率和水接觸角。(b)不同樣品(對照，H-1，H-2和H-3)上黏附的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的SEM圖。(c)親水型表面的OCA和UWOCA(10％，30％和60％PEGMA)。MD模擬：無水條件下的苯-PEGMA(d)結構和(e)有水條件下的苯-PEGMA形成的水化層結構。(黃色，H2O的O原子；綠色，苯的C原子；灰色，PEGMA的C原子；紅色，PEGMA的O原子；白色，H原子)。
為了突破特定潤濕性的限制，噴涂修飾氟硅烷可實現超親水表面向超疏水表面的轉換，研究結果表明：隨著噴涂氟硅烷含量的提高，表面的疏水性能大大提高（如圖4所示），有趣的是超疏水表面的防細菌黏附性能優于超親水表面，結果分析得知其排斥機理起到了至關重要的作用。可廣泛應用于疏水型聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯塑料、硅膠、橡膠、或需求疏水型的金屬、織物衣物、雨傘布等各類表面。
圖4(a)不同的疏水型MPS/Ag樣品(空白，F-1，F-2，F-3和F-4)上黏附的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的SEM圖。(b)空白和F-4處理過的表面的AFM圖。(c)疏水型F-1，F-2，F-3和F-4的防細菌黏附率。(d)F-4的SEM-EDX結果。(e)疏水型F-1，F-2，F-3和F-4的WCA，OCA和表面能。
為了進一步考察抗黏附防生物膜戰略的應用性和普適性，通過在不銹鋼板、聚丙烯塑料、鋁片、硅膠板、鈦板、PVDF膜、織物等十種不同性質的材料進行了的應用。對各類細菌液滴（含有細菌的綠茶、牛奶、可樂、咖啡、和動物血液）都可達到很好的排斥性和抗黏附性，（如圖5所示）。
圖5(a)20μL 108CFU mL-1的不同細菌懸浮液滴的實物圖(水(1)，咖啡(2)，牛奶(3)，可樂(4），茶(5)和動物血(6) )放置在未經處理和經MPS-2/Ag0.9處理的基材（不銹鋼，鋁，PP和PDMS板材)上。(b)浸入染色水中的未經處理和處理過的不銹鋼的自清潔過程。(c)在超疏水型防細菌黏附MPS-2/Ag0.9表面上的細菌水懸浮液滴的滑動過程的照片，水的滑動角為9°。(d)超疏水型細菌防黏附表面和空白細菌水懸浮液液滴的滑動過程的真實照片和SEM圖，以及潤濕狀態模型。(e)在空氣中和水下使用多種油(花生油，二碘甲烷和礦物油)的OCA和UWOCA。
且耐久性測試表明：引入的環氧樹脂固化體系增強了微球與材料表面之間的鍵合力，使表面擁有極強的耐機械性能（機械摩擦和沖擊）和化學腐蝕（pH=1, pH=14, NaCl=1mol/L）性能，即使在嚴苛的測試環境下，構筑的超疏水防細菌表面仍然能保持其優異的抗菌和防細菌黏附性能（如圖6所示）。
圖6(a-b)在耐磨測試期間超疏水型抗菌和防細菌黏附表面的機械耐久性。在整個磨損測試過程中，實物圖(a）以及SEM圖和WCA發生變化(b)。(c-d）沖擊試驗之前(c)，之后(d)的SEM圖和WCA圖像。(e-g)處理過的表面浸入酸性(e)，堿性(f)和NaCl鹽溶液(g)中時的耐化學性能測試。經過各種耐久性測試后，超疏水型表面抗菌(h)和防細菌黏附率(i)變化。耐久性的抗菌和防細菌黏附表面的鍵合作用示意圖(j)。
此外，分析提出了抗菌有機季銨鹽（QAS）組分的接觸型和無機納米銀釋放型協同作用殺菌機理模型，陽離子QAS可通過烷基分子鏈的親脂特性伸展進入細菌細胞膜，并擾亂細菌內部電荷分布殺死細菌；且納米銀的納米尺度效應以及釋放出來的活性氧和銀離子抑制細菌內部的酶、蛋白活性，破壞三磷酸腺苷的產生和DNA的復制，從而破壞細菌的代謝與增殖最終導致細菌死亡。
圖7(a)抗菌MPS / Ag表面的抗菌作用模型。(b)和(c)對照組的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的TEM圖; (d)和(e)處理24小時后金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的TEM圖。
同時，進一步提出親水表面水化層機理和仿生荷葉疏水潤濕界面空氣層對于防細菌黏附的機理（如圖8所示），對于親水防黏附表面，表面的親水組分PEGMA分子鏈吸附細菌環境中的水分子形成水化層具有阻隔效應，從而阻隔細菌的黏附，并且很容易在流體中將可能黏附到的細菌脫附。對于超疏水防黏附表面，構筑的MPS/Ag微納結構表面協同接枝自組裝的氟硅烷低表面能分子鏈，在固液氣三相界面捕獲空氣形成空氣層并處于Cassie-Baxter狀態，具有排斥效應，其獨特的荷葉效應、超疏水水下疏油特性很好的防止了細菌的黏附。
圖8超親水性(a)和超疏水性(b)細菌防細菌黏附機理模型。
以上研究成果以《A new anti-biofilm strategy of enabling arbitrary surfaces of materials and devices with robust bacterial anti-adhesion via spraying modified microspheres method》為題在國際權威材料化學類期刊Journal of Materials Chemistry A (2019, DOI: 10.1039/C9TA07236E)上發表。該論文第一作者為胡杰濤（碩士），第一單位第一通訊作者為林璟（副教授），合作單位：華南理工大學/廣州大學喬智威教授（共同通訊），美國田納西大學郭占虎教授（共同通訊）。歡迎各位同仁交流和合作！
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta07236e#!divAbstract
