仿生微纳结构的物理杀菌机理和自清洁长效性机制研究

It is of great importance of controlling the microbes for human health and environmental safety. Physical sterilization, traditionally such as irradiations or thermal treatment, can avoid the risks of environment or biosecurity that may exist in chemicals or nano bactericidal agents. But it has been restricted a lot because of the additional facilities and usually affecting the service life of the materials. Herein, we propose to construct the bionic micro-nano structures with physical sterilizing effect based on the recognizing of the natural bactericidal structures and their relationships between structure and function, and then systematically investigate the mechanism for the physical sterilizations of the micro-nano structural surfaces by combination of simulations and experimental investigations. We’ll carry out the experimental studies on the bactericidal activity and the influences of structure, shape and size of the materials. Theoretically, we’ll investigate the mechanisms of the structural damage and the activity change of the microbes by multi-scaled calculations, and explore the response mechanism of the typical microbes as they are acted by nanoscale mechanical damage and/or physical-chemical reactions from the principles of nano-biomechanics and biological macromolecular omics. At the same time, the effects of the type of microbes, the activity of materials and the environmental conditions will also be considered for in understanding the mechanism. As a results, a new method will be proposed for constructing micro-nano surfaces with high efficient and broad-spectrum physical sterilization, and with self-cleaning function based on the systematically research of the decomposing the bacteria remains.

有害微生物控制对民众健康和环境安全等具有重要意义，物理杀菌可避免化学和纳米杀菌剂带来的环境和安全风险，但辐照和热力等传统物理杀菌技术受到诸多限制并可能影响材料服役寿命。一些天然结构被发现具有快速物理杀菌作用，基于对其构效关系的认识，采用人工纳米技术构筑系列具有物理杀菌功能的仿生微纳结构；通过模拟计算和实验研究相结合，探讨微纳结构的物理杀菌机理：从实验角度研究仿生结构的杀菌活性及其受结构、形态等材料学特性影响规律，理论层面上采用多尺度模拟计算研究微生物结构损伤与活性演变机理，进一步从纳米生物力学和生物大分子组学等角度研究典型微生物在受到纳米尺度力学损伤和物理化学作用时的应急机制（粘附策略和多层次结构变化等）；同时，研究微生物典型种类、材料活性、环境条件等对微纳结构物理杀菌效能的影响机制。通过光/化学催化分解细菌残骸的理论和实验研究，建立兼具高效广谱杀菌作用和自清洁功能的物理杀菌表面构筑方法。

本项目针对仿生微纳结构的物理杀菌机理和自清洁长效性机制等科学问题，通过实验研究和模拟计算相结合开展研究，取得了多点学术突破，主要包括：（1）通过对猪笼草滑移区等天然抗菌表面的结构解析和杀菌行为研究，揭示了基于“纳米刀片割裂”的接触型物理杀菌机理和细菌种类差异性规律。（2）建立了仿生纳米阵列结构的精准构筑方法，制备了纳米刀片网、纳米柱、纳米锥、纳米管等具有不同形态和结构的仿生纳米阵列并实现其尺寸、密度等结构参数调控，阐明了其多尺度结构形成机理和调控机制。（3）通过对仿生纳米结构的杀菌过程等研究，结合有限元模拟，揭示了基于纳米刀片切割、纳米锥刺穿和参差撕裂等力学作用的物理杀菌机理，阐释了仿生纳米阵列超快速杀菌的物理模型和微观机制。（4）系统研究了ZnO仿生纳米阵列基于光催化和化学催化的表面自清洁行为，揭示了活性物质生成机理以及对细菌残骸的分解作用和纳米结构杀菌功能再生机制；通过对纳米阵列表面的超疏水化改性，再现了天然纳米刀片网基于疏水作用的表面自清洁功能。（5）在金属、聚合物纤维等多种基材表面构筑仿生纳米阵列结构，揭示了其结构形成机理和调控机制；通过对基材的表面处理，显著改善其与纳米阵列的界面结合；通过离子溶出等研究，证实了仿生纳米阵列在水体应用中的安全性。研究成果申报国家发明专利3项（均已授权），发表SCI论文8篇（后期因参与航天项目而减少论文发表），获省科学技术进步一等奖1项；承办国际学术会议1次，参与国内外学术会议7人次（其中国际会议3人次，主题报告或特邀报告4人次）；与国内外10多位知名专家学者建立实质性学术合作，邀请海内外专家/团队进行学术交流11次。公派1名学生赴海外参与联合培养。培养中青年学术骨干4人，博士研究生4名（2名已取得学位），硕士研究生12名（8名已取得学位）。