具有优异防污性能的液体注入型结构化表面外文翻译资料

 2022-12-30 11:09:28

具有优异防污性能的液体注入型

结构化表面

Alexander K. Epsteina, Tak-Sing Wonga,b, Rebecca A. Belisleb, Emily Marie Boggsa, and Joanna Aizenberga，b，c，1

aSchool of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, 29 Oxford Street, Cambridge, MA 02138; bWyss Institute for Biologically Inspired Engineering, 3 Blackfan Circle, Boston, MA 02115; and c Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, 12 Oxford Street, Cambridge, MA 02138

Edited by Peter G. Wolynes, Rice University, Houston, TX, and approved July 3, 2012 (received for review February 3, 2012)

摘要：细菌生物膜是细菌为适应自然环境有利于生存的一种生命现象，由微生物及其分泌物积聚而形成。成熟的生物膜能抵抗多种抗菌治疗，并构成持续的致病性威胁。附着生物膜的治疗是困难且昂贵的，往往不可能应用于医疗系统如导管或植入物中。与此同时，已经发现的基于表面化学处理或表面微观结构的生物膜防护策略，其对初始附着只有短暂的影响。在此报告中，我们在静态和生理真实的流动条件下，将光滑液体注入多孔表面(SLIPS)，其在七天内防止99.6%的铜绿假单胞菌，金黄色葡萄球菌(97.2%)和大肠杆菌(96%)生物膜附着。相比之下，PTFE和一系列纳米结构的超疏水表面都会在数小时内积聚形成生物膜。在更长的时间跨度，与最先进的聚乙二醇表面相比，SLIPS显示附着生物膜的减少量大约是最佳方案的35倍。由于光滑的液体界面具有非粘性、光滑的特性，且实验时间内不会降解，在温和的流动条件下(约1cm/s)，生物膜无法牢固地附着在表面并可以有效去除。在水下、极端pH值、盐度和紫外线环境下，我们证明了以SLIPS为基础的表面是稳定的。它们是低成本的，简单制造，并可以形成在任意表面。我们预期运用此发现为临床、工业和消费领域提供广泛的抗菌膜解决方案。

关键词：防污表面；生物膜；光滑材料；表面工程

细菌在自然状态下形成生物膜结构，即在自然和人为环境中，形成表面结构化的多细胞群落(1、2)。生物膜污染各种基础设施系统和设备，如管道、炼油厂、医学植入物，食品加工设备，和供暖和空调网络等(3 -5)。海洋生物污染是细菌生物膜在船壳上积累，然后附着更大的海洋生物造成的，这将使海船的燃料燃烧增加40%(6)。在医疗设备中，生物膜是造成持续感染的原因，80%以上的微生物感染都是由生物膜引起的，它会释放有害毒素，甚至会阻塞导尿管。在美国，这样的细菌感染感染了医院里10%的病人，每年导致近10万人死亡，并因此推动了当前大部分生物技术研究(7-9)。

生物膜以不同的方式保护其组成细胞，这使得临床和工业污染都很难根治，或者治疗成本昂贵。生物膜作为一种自组织的群落，已经进化为具有互补功能的分化细胞表型。通过细菌细胞的协同行为和其他因素调节，使代谢的多样性和效率得以提高。例如，一些组成细胞在扩散生物膜时是活跃的，而另一些则进入许多抗菌素都不起作用的状态(10-13)。生物膜的宏观物理特性，即细胞通过蛋白质和胞外多糖基质结合在一起，也通过抵抗传统的液体和气相抗菌剂的渗透来保护它们(14)。事实上，细菌膜对常规治疗方法的威胁都有所抵抗。例如，暴露于氯漂白剂60分钟后仍然会产生活细胞(8)，使用多种杀菌剂连续冲洗管道7 天以上，生物膜仍会在管道中重新生长(15)，生物膜可以在瓶装碘溶液中存活15个月(16)。

很明显，理想的方式是预防生物膜的形成而不是去除生物膜，因此，人们提出了各种的耐细菌表面。大多数策略依赖于释放生物杀灭化合物或抑制粘附(17 -20)。在第一种情况下，技术涉及到涂料或散装材料的设计，这些材料将抗生素、季铵盐和银离子释放到周围的水环境中(19)。后一种方法侧重于利用表面化学官能团抑制蛋白质吸附作为一种抑制细菌粘附的手段。例如，低表面能、弱极性材料(如聚四氟乙烯)可使范德华相互作用最小化(21)；两性离子、混合电荷或两亲材料(22)，利用表面不均匀性(如电荷和疏水性)破坏纳米到微米级的粘附(23)；以及形成高水化表面以抑制蛋白质粘附的亲水聚合材料(24)。聚乙二醇是最常被研究的亲水改性之一(25，26)。基于复合凝胶的固体/液体/液体防污界面也有报道(27-29)。最近有人提出了类似荷叶的超疏水结构表面(17，30)。

然而，这些策略效果通常都是暂时的。长时间抵抗细菌的材料很难通过表面化学或表面结构来实现。随着时间的推移，表面分子会被解吸，这一限制促使了许多增强物理吸附领域的研究，例如，聚乙二醇涂层(19)。然而，即使没有解吸作用，细菌也不能直接附着在基质上，细菌分泌的蛋白质和表面活性剂的非特异性吸附仍然可以掩盖潜在的化学功能化(31-33)。此外，表面化学的任何缺陷都可以作为细菌附着的成核位点。Cassie(被截流的空气)状态下的超疏水结构表面易发生不可逆的润湿(Wenzel转变)，特别是随着细菌表面活性剂的产生，严重限制了它们在水下环境中的寿命(34)。在较长的时间范围内，涉及杀菌剂浸出的作用效果是有限的，因为它们的储集层是有限的，而且容易耗竭(20)。耐抗生素和耐银致病菌的出现，以及在海洋环境中开始限制使用释放生物杀虫剂涂层，因此很有必要开发新的解决方案(35- 37)。

传统的抗菌表面基本上是固态的(即它们的表面原子/分子本质上是静态或准静态的)。最终固体表面与生物粘接剂之间的永久相互作用，可以建立在粘接过程的时间尺度上，从而导致稳定的附着和生物膜。创造一个具有纳米尺度的动态特性的表面分子或结构的流动性，可能抑制这些永久性的相互作用，从而大大破坏生物粘附。一个潜在的方法是利用稳定的液体界面来产生动态表面。灵感来自于猪笼草(38)，最近我们开发了一种新的防护模型，该模型不是基于一个不稳定的且瞬态的固体-气态型界面，而是基于通过特殊设计的多孔固体锁定在内部的稳定、固定化、光滑的液体表面，即使在水下材料也能工作(39)。这种新颖的光滑液体注入多孔表面(SLIPS)是一种材料概念，它利用完全湿润的液体薄膜的极端稳定性，在广泛的温度、压力、表面张力和其他条件下保持互斥性(39)。具体来说，稳定SLIPS的设计基于三个重要的标准：(i)润滑剂与固体之间的化学亲和力应高于环境流体与固体之间的化学亲和力；(ii)固体应尽可能地粗化，以增加润滑液的粘附和固定的表面积；(iii)润滑液和周围流体必须在很大程度上不混溶。基于这些原则和遵循一组表面能量参数(39)，任何多孔或纳米固体只要可以通过表面沉积和/或蚀刻光刻，纳米结构的外延生长，喷砂、喷涂、胶体组装、静电纺丝，溶胶-凝胶过程等技术构建，然后通过表面功能化来匹配所选择的与环境流体不混溶的浸润润滑剂的化学性质，可以形成稳定固定的光滑界面(图1A)。

在这里，我们报告了SLIPS防止生物膜附着的特殊能力。在我们的装置中，滑动液体渗透到多孔的PTFE(聚四氟乙烯)基板(40- 43)或微结构氟硅化硅晶片中，呈现出光滑液体-液体界面。通过严格的量化，我们证明我们的SLIPS平台在低流环境中七天，防止96 -99%的常见的细菌生物膜，优于最先进的基于聚乙二醇化的表面化学治疗35倍以上(44)。这一结果适用于各种细菌，包括临床致病菌铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。我们进一步证实，生物膜附着的减少并不是由SLIPS中液体毒性引起，而是由于它在光滑的界面上具有特殊的流动性。此外，在极端的pH、盐度和紫外线照射条件下，SLIPS抗生物膜表面是稳定的，可以在任意形状的表面等高线上形成，如导管、管道或其他需要延长生物膜抗性的系统。

结果与讨论

在一个简单的试验方案中，铜绿假单胞菌结核培养物被放置在水坑中，在三种表面类群上静态培养：(i)多孔PTFE膜(0.2mu;m孔隙大小)作为传统低粘性，超疏水表面；(ii)注入全氟聚醚(Krytox-103)的PTFE膜形成SLIPS材料(图1 B- E)；(iii)采用四种不同的高宽比微柱阵列的氟硅化图案硅晶片呈现超疏水性表面，能够排斥和滚落水(图S1和MovieS1)。PTFE膜与全氟化润滑剂的结合使用具有避免图1A所示的SLIPS制造方案中的前两个步骤的优点。静置培养48 h后，施加于两表面的细菌培养物的活细胞浓度约为108 mL -1。对细菌进行固定和染色，其生长的荧光显微图如图1 B-C所示。虽然在平坦的PTFE和超疏水硅上都可以观察到强健和均匀的生物膜覆盖，但在SLIPS上只能看到稀疏和孤立的细胞。事实上，在静态培养中，PTFE和SLIPS上的早期细菌生长(图S2)在SLIPS上产生一层未附着的细胞，这些细胞随液体中的对流随机漂移。测试表面也手动倾斜，以比较宏观生物膜黏液的附着力，如图2和图S1及MovieS1和S2所示。在对照物和超疏水性基质上生长的一滴细菌培养基显示表面完全润湿，在倾斜时留下一层附着牢固的黏液膜，或者留在内生生物膜上。相比之下，在SLIPS衬底上的生物膜(图2和MovieS2)在简单倾斜时很容易滑动，不会留下任何可见的残留物。

图1 本次研究SLIPS准备和生物膜附着。(A)光滑液体注入多孔表面(SLIPS)材料概念示意图。平面基板(i)纳米图形化或粗化(ii)、化学功能化(iii)，注入相容的润滑液(iv)，去除多余的润滑液(v)。本研究中使用的多孔聚四氟乙烯基材为全氟化润滑油渗透的第三阶段。由两部分组成的体系呈现出一种光滑的表面，表面是高度不混溶的固定化液体。(B- C)附着细菌的荧光显微图48 h后潜伏的铜绿假单胞菌生物膜(B)和超疏水PTFE(C) 30mu;m比例尺。(D -E)铜绿假单胞菌生物膜形成培养物蒸发液滴的残留物在SLIPS(D)和超疏水PTFE(E)。滑衬底上的附着生物膜不良干净地收缩从表面蒸发(Movie S3)，留下一个小，容易移动颗粒(Movie S4)。相比之下，生长在PTFE和微结构超疏水硅(Movie S1)上的生物膜表面完全湿润，留下一个黏糊糊的、牢固附着的两厘米大小咖啡环。(F)比较生物膜附着在SLIPS底物上7天后和附着在聚乙二醇化底物上5小时后的情况 (44)。即使假设在最佳情况下，其5小时的PEG性能可以维持在7天表面化学的解吸或掩蔽，而SLIPS的相对附着率为0.4%的，代表其性能比PEG提高了30倍。

我们通过监测细菌培养液滴的蒸发动态(图S3和MovieS3)以及表面上干燥后剩下的污渍进一步分析了多孔PTFE表面和SKIPS表面的接触线钉扎特性(图1 D E，图S4和MovieS4)。在没有钉住的情况下，液滴应该遵循一个几乎恒定的蒸发接触角模式(45)，而不会形成咖啡环染色(46)。事实上，这种模式与我们观察到的细菌液滴从SLIPS表面蒸发的接触线运动(图S3和MovieS3)是一致的。没有咖啡环的形成也表明与水滴的弯液面所施加的力相比，细菌在SLIPS的粘附力较小(47、48)，在图S4和MovieS4中，我们证明用胶带非常容易使干燥的生物膜从SLIPS中去除。相反，在多孔的PTFE上的蒸发液滴被强烈地固定，导致了一个恒定的蒸发接触面积模式(45)，并形成了一个不可移动的咖啡环(46)。这些直观的生物膜未附着在SLIPS上以及对3.5times;108 mL-1细菌液具有抵抗力的视觉演示与本研究中的宏观和微观定量均一致。

虽然上述静态实验清楚地表明，与其他表面相比，生物膜在SLIPS上的附着情况较差，但有必要强调的是，许多必须进行生物膜预防的环境并不是静态的。大多数水下生物膜的形成是在不同的流动条件下发生的(例如，在管道、船体、导管或植入物表面)，生物膜被认为是在流动下牢固地附着在基质上(49，50)。

图2 在注入Krytox 103的PTFE多孔表面和PTFE SLIPS表面上培养24小时的铜绿假单胞菌生物膜水坑，在(A)和(B)倾斜测试生物膜附着力之前和之后。在PTFE基板上，一个健壮的，固定的生物膜形成，而生物膜在SLIPS基板上容易滑动，没有留下任何黏液膜或其他可见的残留物，见(Movie S2)。

附着生物膜的表面非常脆弱，即使是通过平缓的水流也能将细胞移除，这种设计将提供一种持久的防污策略，优于杀菌或化学方法。因此，研究了生物膜附着在双流式细胞内的试验表面，细菌培养通过蠕动泵不断循环。在流速为10 mL/ min体积流量和大约1 cm/ s线速度的流动条件下，对照组是PTFE和SLIPS表面与PA14细菌培养平行暴露24 h、48 h和7 d (168 h)。我们进一步验证了SLIPS的功能在实验时间范围内不会退化(图S5)。事实上，在生长48小时后，PTFE和SLIPS衬底显示出对照衬底的黄色、粘稠外观，

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