温度响应型纳米锥超疏水表面调控细菌粘附和生物垢形成的研究

The bacterial adhesion and subsequent formation of biofouling on solid surfaces are harmful for the efficiency of material application and related processes. Control of bacterial adhesion and prevention of biofouling are the important research contents of cross linked area of several disciplines. We propose in this project to manufacture the bionic nano-cone textures on both polymer and glass substrates respectively with anodic oxidation followed by hot press molding and fiber drawing methods. Then PNIPAAm will be grafted onto the nano-cone surfaces to form temperature-responsive nano-textured superhydrophobic surfaces. The dynamic processes, such as the bacterial adhesion, penetration of cell wall by the nano-cones, and the departure of cell debris away from the structural surfaces after temperature reduction, will be all investigated. The interfacial free energy between cell wall and nano-cone surface will be formulated and its gradient will be regarded as the driving force of nano-cone penetrating cell wall. And the validity and the rationality of the driving force will be proved. The criterion equation of nano-cone sterilization will be further built and solved, so that the process physical nature and mechanism can be revealed and the suitable textured parameters of nano-cone to penetrate bacteria cell wall can be found. Finally the target of long-term inhibiting bacterial adhesion and biofouling formation can be realized. The strategy to regulate bacterial adhesion and to prevent biofouling formation, i.e. by means of temperature-responsive nano-cone structures, belongs to physical environmental friendly method, which provides new mentality for the control of bacterial adhesion and biofouling formation.

细菌在固体材料上的粘附及随后形成的生物垢对于材料的有效使用及相关过程均有极大危害，控制细菌粘附和预防生物垢是多个学科交叉领域的重要研究内容。本项目拟采用阳极氧化耦合热压成型技术及纤维拉伸法分别在聚合物和玻璃基底上制备纳米锥结构，并将PNIPAAm接枝到纳米锥表面，从而构建出温度响应型纳米锥超疏水表面。研究荧光假单胞菌等细菌在该表面上粘附、被纳米锥穿破细胞壁、以及被杀灭细菌的细胞碎片在变温后脱离壁面等动态过程；建立细胞壁与纳米锥间的界面自由能表达式，研究该界面能梯度作为纳米锥穿破细胞壁推动力的正确、合理性；进而建立纳米锥灭菌过程的判据方程并求解，揭示过程的物理本质和机理，给出能够穿破细菌细胞壁的适宜纳米锥结构参数；最终实现长期抑制细菌粘附及生物垢形成的目标。本项目提出的利用温度响应纳米锥表面调控细菌粘附和预防生物垢的方法属于物理的、环境友好的技术手段，为控制细菌粘附及生物垢生成提供了新思路。

项目的背景：.粘附在生物医学材料表面的细菌是导致感染及植入失败的关键因素，抗生素的长期使用会带来细菌耐药等后果。具有仿生纳米结构的生物材料能够物理杀菌，有望开辟新一代生物医用材料。.主要研究内容：.采用阳极氧化及纳米热压印技术制备倒锥形纳米孔阵列及聚合物仿生纳米锥表面；采用水热法制备钛基纳米结构；采用原子转移自由基聚合法在聚合物纳米锥上接枝PNIPAAm从而制成温敏性纳米结构。研究大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在各种纳米结构上的粘附、被杀灭及脱离过程和规律，揭示纳米结构参数对灭菌效率的影响，建立细菌与纳米结构间的相互作用数学模型，分析纳米结构杀菌的机理。.重要结果：.1）在各种聚合物表面制备出与蝉翅纳米结构相似的仿生纳米锥。2）所制备纳米锥对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率均达到90%以上，高效杀菌的最适宜纳米结构参数为锥高200nm以上，锥顶部直径30-60纳米，锥间距170纳米左右。3）在聚合物纳米锥表面成功接枝了PNIPAAm，形成温敏性纳米结构，不但能保持杀菌能力，而且在降温后能使被杀细菌脱离，从而避免生物垢形成并保持高效杀菌性能。4) 在钛表面制备出由纳米线簇和纳米片组成的新型3D杂化纳米结构，形貌类似蜻蜓翅膀的纳米结构，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌效率分别可达98％和70％。5）建立了纳米结构表面上细菌被杀灭过程的数学模型，首次提出细菌与纳米结构之间的界面能梯度是细菌移入结构内部的推动力。该模型揭示了纳米结构杀菌的规律和机制所在。与大量实验结果对比，该模型的计算准确率接近90%。.关键数据及其科学意义：.所构建的仿生纳米锥的杀菌率达到95%以上，温敏性纳米锥可以脱除90%以上的细菌，从而避免生物垢的形成。提出纳米结构杀菌的推动力为细胞与纳米锥之间的界面能梯度，该推动力在nN数量级，对应的压强在MPa数量级，数值与纳米结构参数密切相关。实验和理论模型所得到的关键数据对于澄清纳米结构灭菌的机制以及设计高效纳米结构灭菌材料有重要的指导意义。