广州大学刘自力和林璟《Chem. Eng. J.》: 揭示可切换超疏/超亲水智能表面抗菌抗细菌黏附性的差异和关联

2022-01-16 来源：高分子科技

近年来，钛基材料被广泛地应用在化工、航空、海航运输及生物医疗等领域。然而，细菌附着在钛基材料表面会形成微生物腐蚀或有害细菌传染等问题，严重危害着人类的健康和经济发展。构筑负载各类抗菌剂的超疏水或超亲水TiO₂纳米管阵列表面是被广泛应用于钛基材料表面实现其抗细菌黏附的有效策略之一，且基于TiO₂的光敏性可在同一材料表面实现超疏水/超亲水的智能切换，有以下科学问题需要进一步探究和揭示：1.太阳光照射下TiO₂的量子产率极低情况下，如何提升其释放活性氧(ROS)抗菌能力？2.可切换超疏/超亲水智能表面的抗菌和抗细菌黏附性有何差异和关联？

近期，广州大学化学化工学院刘自力和林璟等为揭示可切换超疏/超亲水智能表面抗菌抗细菌黏附性的差异和关联，在Chemical Engineering Journal期刊上(IF=13.273)发表论文，题名为Difference and association of antibacterial and bacterial anti-adhesive performances between smart Ag/AgCl/TiO₂ composite surfaces with switchable wettability，探究和揭示了以上两个科学问题，其智能材料的制备流程和相关机制示意图如图1所示：

图1：抗菌防黏附智能表面的制备

结果发现：

1. 如何提升太阳光照射下TiO₂的量子产率，以提升其释放ROS抗菌能力？

该研究团队通过连续离子层吸附反应法和光还原法在TiO₂纳米管阵列表面引入光催化性质优异且稳定的Ag/AgCl NPs复合纳米粒子，构筑了Ag/AgCl/TiO₂复合表面。理论上，在太阳光照射下Ag NPs发生局域等离子共振现象(SPR)，对太阳光产生强烈的吸收从而被激发产生光电子-空穴对，Ag/AgCl/TiO₂的复合结构能高效抑制电子-空穴对的复合，进而促进ROS的释放。抗菌实验与ESR测试结果显示(图2)，与常规只负载Ag NPs的方式相比，负载Ag/AgCl NPs后复合表面在太阳光照射下释放ROS的效率更高，比Ag NPs展现出更显著的增效作用，且仅负载3.66 μg cm^-2的Ag/AgCl NPs就可以使复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率分别达到98.65%和99.15%以上，Ag/AgCl NPs负载后能显著增强复合材料表面在太阳光照下释放ROS的抗菌效率。

图2：TNTs/Ti@Ag₍₁₀₎@FAS和TNTs/Ti@Ag/AgCl₍₁₀₎@FAS材料表面的抗菌性

2. 可切换超疏/超亲水智能表面的抗菌和抗细菌黏附性有何差异和关联？

利用TiO₂光致亲水特性，构建出了通过紫外光照/暗储能实现超疏水/超亲水可逆转变的智能材料表面；研究发现：超疏水转变至亲水TNTs/Ti@Ag/AgCl₍₁₎@FAS材料表面对大肠杆菌的抗菌率由82.9%上升至94.6%，对金黄色葡萄球菌的抗菌率由78.9%上升至88.4%。通过分子动力学模拟，研究了Ag⁺在疏/亲水表面释放的过程及差异，揭示了氟硅烷分子对水分子的排斥效应以及羟基基团的亲水作用是造成Ag⁺在疏/亲水表面释放差异的内在原因(图3)。研究还发现，超疏状态下，复合表面展现出出色的疏水/疏油性和低表面黏附力，使细菌难以黏附在表面，并且表面形成的空气层能够阻隔细菌，在主动杀菌机制的协同作用下对大肠杆菌和金葡的抗细菌黏附率达到99.47%和98.50%。超亲水状态下，亲水表面形成的水化层能起到阻隔细菌的作用，在主动杀菌机制的协同作用下，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗细菌黏附率也分别达到97.86%和90.42%。总而言之，超疏状态智能表面展现出更出色的抗细菌黏附性能；超亲水状智能表面展现出更出色的抗菌性能。

图3：表面润湿性对Ag⁺释放的影响

本文的作者单位为广州大学化学化工学院，第一作者为广州大学化学化工学院桂黎爽硕士研究生，通讯作者为导师林璟副教授和刘自力教授，其团队成员左建良博士、王琪莹副教授及本科生刘俊江、江文峰、封天雨、李树立、王思桃等为该成果做出了积极的贡献，并得到了国家自然科学基金面上(22078077)项目等项目的大力支持；

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134103

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（责任编辑：xu）

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