基于物理抗菌原理的纳米表面的制作与性能研究

The physical antibacterial property of nanostructured surfaces overcomes the drawbacks of conventional chemical antibacterial agents such as drug resistance and environmental contamination. The development of antibacterial nanostructured surfaces is important for various applications in industry, medical settings and daily life. The major challenges are the development of nanofabrication methods which can systematically modulate the physical parameters of nanoarchitectures on surfaces, and the deep understanding of the relations between nanostructures and antibacterial properties. In this project, polymer and metal nanostructured surfaces will be fabricated and modulated based on the custom developed Si-based super thin nanopore template. Antibacterial performance of various nanoscale surface architectures will be evaluated qualitatively and quantitatively by using Methicillin-resistant Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa as model microorganisms. Based on systematic study on relations between nanostructures and antibacterial properties, a physical model on the interactions between bacterial cells and surfaces nanostructures will be established. The fabrication of polymer nanostructured surfaces are relatively low-cost and can be applied for large scale manufacture. Metal nanostructured surfaces have various potential functionalities such as conductivity or surface optical effects, which can be further developed for sensing and detection of biointerfaces based on electrical and optical signals.

基于物理抗菌原理的新型纳米表面克服了传统化学抗菌剂耐药性和对环境污染的缺点，是工业、医疗以及日常生活应用中的一个重要研究课题。目前面临的主要挑战是发展物理参量可控的纳米表面的制作方法，以及纳米结构和物性与抗菌性能关联性的系统研究和深入理解。本项目拟采用自主开发的硅基超薄纳米孔模板，发展表面结构和物性可控的高分子材料以及金属材料的纳米表面的制作方法。以耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌为细菌模型，综合纳米结构和物性与抗菌性能的关联，明确影响纳米表面抗菌性能的关键物理参量，深入理解纳米结构与细菌细胞相互作用的物理机理。为具有优越抗菌性能的纳米表面结构的设计及广泛应用提供实验和理论依据。高分子纳米表面的制作成本较低，具有大规模生产应用的基础条件。而金属材料则赋予纳米表面新的功能比如导电性或表面光学效应。这对于进一步发展生物界面之间基于电信号乃至光响应的传感机制和检测方法提供一个潜在的新平台。

本项目围绕着表面纳米结构形貌特征与细菌存活及增殖状态的关联性和界面作用机理开展研究工作。采用硅基超薄纳米孔为模板制备了不同形貌特征的高分子纳米柱阵列，以及通过电化学抛光法构建不同表面粗糙度的纳米沟槽表面。结果发现纳米柱阵列结构参数对吸附细菌的存活性具有显著影响，而纳米沟槽形貌对吸附细菌的主要影响是抑制细菌的增殖，两种结构形貌上的细菌的存活数量均比光滑的参比表面减少一个数量级。实验结果显示对于直径为80nm的纳米柱结构，高度在300‒500nm，密度为40个/μm^2的阵列表面对金黄色葡萄球菌的杀菌效果最为明显，大于90%；而密度为70个/μm^2的阵列表面杀菌率只有30%。基于表面自由能的理论对纳米柱阵列上细菌细胞壁的拉伸状态进行模拟分析的结果揭示出纳米柱的密度和高度的均一性是影响其杀菌性能的关键物性参数。同时，项目组进一步发展了基于金纳米结构电极阻抗法检测细菌吸附量的分析方法，开发了石墨相氮化碳材料光催化抗菌表面，为从简单结构仿生拓展到功能性材料表面打下基础。本课题的研究结果将为具有优秀抗菌性能的纳米表面结构的设计提供实验及理论依据。