钛表面复合纳米化及其消除细菌耐药性的机制

As bacterial resistance is spreading worldwide, it is urgent to endow implantable medical materials with active functions against resistant microbes. On account of the structural and metabolic facts in bacteria, this project proposes to in situ fabricate and immobilize noble metal nanoparticles, via plasma immersion ion implantation processes, into titanium-based materials, to build composite surfaces with active actions to interrupt the normal transport chains of protons or electrons in bacterial membrane, and study their biological effects on tackling microbial resistance. The kinetic and thermodynamic rules which control the nucleation and growth processes of the nanoparticles will be explored to optimize the fabrication techniques. The cytocompatibility of the obtained surfaces will be fully evaluated. The biological actions of the composite surfaces (including the combinations with inefficacious antibiotics) that disturb the membrane functions and decrease the resistance in persister cells, will be studied at the molecular, cellular and animal levels. Based on the fundamental theory of “proton-coupled electron transfer” in bacterial cells, the project intends to engineer biomaterial surfaces of capabilities targeting bacterial membrane functions and tackling the resistant network of bacteria in an integrated and systematic manner. The tactics and mechanisms developed in this study will become important references in fabrication of biomaterials with abilities against resistant microbes.

耐药细菌全球蔓延，植入材料抗耐药细菌功能化已迫在眉睫。基于细菌结构和代谢原理，本项目拟用等离子体浸没离子注入技术将化学惰性和/或活性金属引入钛表面, 以构建具有“析氢”或“电子储存”性能的复合纳米结构(谓之“复合纳米化”)，探讨其阻断“质子耦合电子传导”相关细菌质膜功能，消除耐药性的基础科学问题。全面了解复合纳米结构形成的热力学和动力学规律，完善制备工艺；系统评估纳米化钛表面的细胞相容性；从分子、细胞及动物水平探讨复合纳米结构(包括其与无疗效抗生素协同)阻断耐药菌株质膜功能，消除耐药性的规律和机制；阐明优化材料表/界面结构消除细菌耐药性的可行性和可靠性。项目以细菌生命系统正常运转的基本形式──“质子耦合电子传导”过程为基础，针对细菌呼吸链功能设计，拟从“整体和系统”的角度出发瓦解细菌“网络式”耐药体系，有望获得消除细菌耐药性和恢复抗生素药效的新途径，为植入材料抗耐药细菌功能化储备解决方案。

基于细菌结构和代谢原理，项目采用多种技术(如离子注入、微弧氧化、电沉积等)，在钛表面制得多种复合纳米结构，并系统研究表面结构与细菌和细胞的互作用规律，探讨其扰乱细菌质膜功能，抑制细菌耐药相关功能的可行性。主要研究结果如下:.(1) 采用二元离子注入工艺，利用等离子体原子轰击加热效应，制得纳米银/钙掺杂的复合钛表面，发现纳米银与钙离子针对细菌质膜上“质子耦合电子转移”功能(细菌耐药机制之一)的协同抗菌效应，为抗菌型医疗器械的表面制造提供了可行的技术方案。.(2) 采用滴涂、三氨丙基三甲氧基硅烷偶联及电泳沉积的石墨烯涂层制备工艺，制得与钛基底具有不同结合方式的三种氧化石墨烯薄膜，发现电泳沉积石墨烯涂层抗菌性能最强，说明氧化石墨烯与钛基底的结合方式可影响氧化石墨烯薄膜的抗菌活性。 进一步利用氧化石墨烯的比表面积大和负电性特点，实现锌、镁离子有效负载，获得具有良好抗菌活性的钛表面。.(3) 采用水热工艺在钛表面原位构建镁铝层状双氢氧化物薄膜(MgAl-LDHs)，经不同温度煅烧处理，以调控其表面碱性水平，发现钛表面局部碱性微环境，可干扰细菌质子浓度梯度形成，阻碍ATP合成，从而抑制细菌生长甚至杀死细菌。.(4) 采用等离子体刻蚀改性CVD技术，以SF6为氟化剂制备石墨烯薄膜。通过控制等离子体作用时长可获得饱和氟化的石墨烯(90F-Gr)和介于石墨烯(Gr)和饱和氟化石墨烯的中间态“部分氟化”石墨烯(60F-Gr)结构。发现随着氟化程度的增加，石墨烯抗菌活性逐渐增强，但氟化石墨烯的抗菌效力与其氟化程度并不总是纯单调关系，而是其结构和氟共同作用的结果。.(5) 结合离子注入和微弧氧化技术，制得氢和氮掺杂的多孔氧化钛薄膜。发现氢注入氧化钛具有抑菌效果。氮注入氧化钛仅在光照条件下才具有抗菌活性，且与氮掺杂量成正相关。 .(6) 相关研究在Materials Horizons、Bioactive Materials、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Mater. Chem. B等期刊发表论文17篇，申请发明专利2项，培养硕士研究生2名，协助培养博士生4名。项目负责人曹辉亮入选德国“洪堡”高级研究员计划(2018年)。