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抗菌铝基纳米超疏水表面研究
费迪希萨尔Natthakan RungraengJunghoon Lee,dagger; Soojin Jun,# Henk J. Busscher,Dagger;
Henny C. van der Mei,Dagger; and Chang-Hwan Choi*
史蒂文斯理工学院机械工程系，哈德逊城堡点，新泽西州霍博肯，07030，
美国
格罗宁根大学和格罗宁根大学医学中心，生物医学工程系（FB40），Antonius
Deusinglaan 1,9713 AV格罗宁根，荷兰
Mae Fah Luang大学农业工业学院食品技术项目，333 Moo1，Thasud，Muang，Chiang Rai 57100，泰国
美国夏威夷大学马诺阿分校人类营养，食品和动物科学系，1955年东西路，农业
Science Building 216，Honolulu，Hawaii 96822，United States
摘要：表面上的细菌粘附和生物膜的形成是复杂的。在许多工业过程中，通过阳极氧化和后处理工艺设计并制造的亲水性（使用目标是，固有的氧化物层）或疏水的（应用特氟隆涂层）的纳米多孔和纳米带铝表面可以阻止细菌粘附。对比金黄色葡萄球菌ATCC 12600和大肠杆菌K-12（革兰氏阴性，棒状）在静态和流动下的粘附来评价纳米工程表面条件（流体剪切速率为37s-1）。与非结构化电解抛光平坦的表面相比，纳米结构表面显着减少了粘附的数量。使用琼脂平板测量两种物种的菌落形成单位（CFU），对于亲水性表面，分别从平面上的8nN开始，减少了纳米孔和纳米带表面上的细菌粘附力为4和2 nN，减少粘附CFU的数量。在流动下的疏水表面上更显着，纳米带表面上减少的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别达99.9％和99.4％。在扫描电子显微镜下观察，在疏水性纳米带表面上发现的细菌主要粘附在有缺陷或受损的区域，而保留原始纳米带形态的完整区域几乎没有粘附细菌。与亲水性或纳米多孔表面相比，细菌对疏水性纳米带表面的粘附减少得更多，除了使细菌粘附的接触面积最小化，还归因于在三维形态下有效空气陷阱，使其超级疏水和光滑。
介绍：表面上的细菌粘附和生物膜形成是重要的问题，在许多工业过程中，导致效率降低而增加了成本。典型例子包括医疗植入物和装置，食品加工设备，管道，水处理厂，热交换器，和船体1-3。特别是在医疗方面，微生物粘附和生物膜形成会对健康造成严重危害。钛钢铝等金属广泛应用于植入物和食品加工设备，微生物诱导腐蚀成为这些设备维护保养的重点4。在医疗应用中，机械去除生物膜被认为是最后的解决方案，与工业应用相比，它可以更掌握处理这种昂贵但有效的方法。然而，一些治疗和预防方法包括抗生素，随着抗药性的增加和菌株和生物膜的脱敏特性，其防止微生物附着效果越来越差5。之前还研究过抗菌涂层
防止生物膜形成，以对抗日益增加的问题6-9。季铵涂层在接触时杀死粘附的细菌，提供一种方法防止生物膜形成10。涂层也可以起到类似可以释放抗生素的结构的作用，但很少倾向于在发生微生物附着时释放抗生素11.12。
研究文章：聚合物刷涂层直接驱除细菌，但能够吸附弱粘连的生物膜13。学者探讨了预防细菌的不同方法，粘附和生物膜形成是机械或化学的，其表面特性如粗糙度和疏水性。 粘附力的性质起着关键作用介导细菌粘附到表面的相互作用14。虽然没有得出关于粗糙度和疏水性对细菌的影响对不同菌株和物种有效的表面附着力的一般性的结论，特别是在不同的环境条件下细菌粘附和生物膜形成的多因素性质15。最近，纳米尺度特征的重要性也有发表16.17。总结见表一18-30。当结构间距为1.5纳米或者更小时，柱状图案聚（乙二醇）水凝胶对葡萄球菌的粘附性显着降低21。这表明能够有效预防细菌粘附的表面特征的临界长度尺度应该是纳米级的（即小于细菌的大小）21。硅的结构能够利用局部施加在细菌细胞上的机械应力杀死铜绿假单胞菌ATCC 9027，金黄色葡萄球菌65.8T，枯草芽孢杆菌NCIMB22。而且，由于整体较弱的黏附力，与非结构化的相比，有效的物理接触面积在纳米结构表面上附着的细菌可能更少23。这可能会导致压制激活细菌抗生素防御机制31。而且，由于细菌表面接触增大随机粗糙钛合金表面增大细菌附着区域28。氧化钛（TiO2）纳米管表面显示钛中的独特性能能够减少细菌粘附，生长和生存能力，包括钛结晶度，改性表面化学和光催化活动25.29。载有庆大霉素的氧化钛纳米管也能减少细菌生长24。由于药物负载区域的增加和细菌黏附力的减小氧化钛的纳米结构也显示出增强的抗菌功效27。表面纳米结构和疏水性的综合影响也通过使用调节良好的纳米结构来证明，其在软木纤维18，聚氨酯16，和钛上具有相对高的纵横比26，使得表面超疏水性并且在纹理结构中夹带空气，这导致减少细菌与材料接触并随之粘附。然而，当表面纳米结构没有明确定义为具有相对高的纵横比时，这种效果并不显着，这不会导致空气滞留在纹理表面中，如不锈钢30所示。固定化液体（例如油） 在疏水性纳米多孔表面内，还可以防止由于液体的润滑作用引起的细菌附着层20。
尽管通过利用表面纳米结构和疏水性的影响，已经设计和探索了各种材料用于减少细菌粘附和生物膜形成的基础研究和应用，但是可能的优点纳米结构表面与表面疏水性的调节相结合还没有系统地 探索，尤其是铝。这是许多工程设备和系统中最实用的材料之一，适用于不同的细菌菌株，不存在或存在流体流动，如突出显示见表1。 因此，本研究的主要目的是在铝合金上开发出良好调节的纳米结构表面，并评估其优点，以防止金黄色葡萄球菌（革兰氏阳性，球形）和大肠杆菌（革兰氏阴性，棒状）的粘附。 与常规的二维（2D）纳米多孔表面相比，三维（3D）纳米柱表面均被调节为亲水或疏水的并且在静态和流动条件下经受细菌粘附。 通过调节阳极氧化和后处理工艺，纳米工程纳米工程的新型3D纳米带表面电化学阳极氧化是一种具有成本效益和可扩展的技术，可以在大的表面区域内创建金属子基板的任意曲率的纳米结构，在其三维性的独立可控性范围内，这是实际应用中的主要优势32。选择金黄色葡萄球菌和E. 大肠杆菌用于该研究，因为它们是涉及几种类型的人类感染和食源性疾病的潜在致病菌株33。在细菌和琼脂平板铺展后，从菌落形成单位（CFU）的数量计算粘附在所制备的不同表面上的活细菌数。 进一步采用扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）来观察表面上的细菌粘附，并分别估计表面上的单细菌粘附力。
图一
图1：将阳极氧化铝（AAO）的纳米多孔结构转变为纳米柱结构的制造工艺示意图：（a）初始纳米多孔AAO图案。 （b）通过扩孔（后处理）工艺扩大孔径的纳米多孔AAO图案。 （c）具有进一步蚀刻的NanopillarAAO图案，导致形成断开的单个柱状纳米结构。 （d）具有蒸发干燥的纳米柱AAO图案，导致各个柱结构的聚集，并因此由于毛细力而形成聚集的柱（或锥形）结构。
制造计划：图1显示了采用阳极氧化，后处理和蒸发干燥工艺的常规2D（平面）纳米多孔铝表面的新型3D纳米带表面的制造工艺示意图。最初，电抛光铝基板通常在酸性水溶液中阳极氧化， 导致形成自组织的2D纳米多孔氧化铝层（图1a）。以下化学蚀刻工艺扩大了孔隙，使两个相邻孔隙之间的壁变薄（图1b）。 通过细长的孔扩宽，高纵横比的3D柱撑铝纳米结构由从阻挡层突出的壁形成（图1c）当湿法阳极氧化和后处理过程中柱状表面在蒸发过程中干燥时，由于蒸发干燥过程中的毛细作用力，形成了圆锥形的簇状柱结构，这被称为纳米毯效应34.35（图1d）。
先前报道的硬阳极氧化技术使用脉冲高阳极氧化电压来实现类似的纳米带铝表面32。2在所谓的竹子分裂模型的基础上采用了高剪切力，通过在阳极氧化过程中以高速率对溶液进行强烈的阳极氧化处理来设计类似的钛纳米带表面27。这些方法是一步制造过程，不需要在本研究中采用额外的后处理过程。 然而，在这样的方法中，适当的阳极氧化电压或搅拌强度/速率的调节和确定以及导致明确定义的柱状形态的形成的阳极氧化时间仍然是挑战。图案化纳米结构在整个表面区域上的均匀性是另一个问题。 相比之下，本研究中采用的后处理技术使我们能够对纳米结构的尺寸和形状进行更多的控制和均匀性，并且在从传统的2D纳米孔隙形态到3D纳米孔隙形态的转换中具有比其他方法更大的灵活性。
■材料和方法：纳米多孔和纳米带表面的制备铝。将铝箔（0.5mm厚度，99.98％纯度，AlfaAesar，Ward Hill，MA，USA）切成1cmtimes;1cm的样品，然后在金属清洁剂溶液（MC-3，Branson，Danbury，CT，USA）中脱脂，丙酮 用超声波清洗器和乙醇（100％）洗涤10分钟，然后在去离子水中漂洗，用氮气干燥。然后在20V的施加电势下将铝箔在高氯酸和乙醇（HClO4 / C2H5OH = 1：4不对称比）的溶液中电解抛光2分钟以去除表面不规则性。
为了制造纳米多孔铝表面（图1a），将电抛光的样品浸没在0.3M草酸（C2H2O4）溶液中，将其置于双壁玻璃烧杯中，在7℃下使用DC电源在45V阳极氧化处理15分钟。 供应（Genesys300鈭 TDK-Lambda，NJ，USA）。铝箔用作工作电极（阳极），并且铂箔用作阳极氧化工艺中的辅助电极（阴极）。 两个电极在距离5厘米处分开。 在电化学过程中，使用磁力搅拌器以150rpm搅拌溶液，以帮助保持样品表面上的恒定温度和均匀的阳极氧化。 在阳极氧化过程之后，将每个样品在乙醇中保持10分钟并在去离子水中小心冲洗以除去电解质溶液的残余物。制作纳米带铝表面（图1c），将纳米多孔表面样品蚀刻成5％wt。磷酸（H3PO4）在30°C下调节一段时间。而且相对较短蚀刻周期（例如，高达约50分钟）仍然导致2D纳米多孔表面在孔隙处理过程中具有增大的孔径（图1b），细长的蚀刻在图1中变薄。将阳极氧化铝（AAO）的纳米多孔结构转变为纳米柱结构的制造过程示意图：（a）初始纳米多孔AAO模式。 （b）通过扩孔（后处理）工艺扩大孔径的纳米多孔AAO图案。 （c）具有进一步蚀刻的NanopillarAAO图案，导致形成断开的单个柱状纳米结构。 （d）具有蒸发干燥的纳米柱AAO图案，导致各个柱结构的聚集，并因此由于毛细管力而形成簇状柱（或锥形）结构。ACS应用材料和界面研究Articl孔壁并最终离开个体（支柱
纳米结构（图1c）。最后，用氮气蒸发温和干燥样品。 在蒸发期间，由于毛细力，单独的纳米带结构被合并以形成圆锥形的成簇纳米柱（图1d）。在蒸发期间的这种结构转变导致样品表面的颜色变化。 通常，当单个奇异纳米柱结构形成合并的锥形柱状簇阵列时，从表面观察到浅紫色反射。
通过使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，Quanta FEG450，FEI，Hillsboro，Oregon 97124 USA）表征制造表面的结构形态。
创建亲水或疏水表面。对于纳米多孔和纳米带表面样品的亲水表面条件，使用阳极氧化铝表面的固有亲水性。
对于疏水表面，制造的表面涂有聚四氟乙烯。 在Teflon涂层之前，样品在O2等离子体中清洁（PDC-001，Harrick Plasma Inc.，NY，USA）15分钟以除去有机残留物。 然后，样品用0.2wt％Tefonsolution（Teflon AF1600粉末（DuPont）和全氟化合物FC-75（Fisher Scientific）的混合物）在1000rpm下旋转涂覆，其中aramp为500rpm，30s，这导致膜厚度 几个纳米计。 将每个样品在110℃的热板上烘烤10分钟以蒸发溶剂并再次在165℃下烘烤5分钟并在330℃下烘烤15分钟以改善粘附性。 最后，样本用2-丙醇和去离子水冲洗5分钟并干燥在测量水接触角之前空气1天。
对于水接触角测量，无柄的接触角通过使用接触角测角仪（Model 500，Rame-hart）在室温下在每个样品上测量液滴（约3mu;L）的去离子水。 在每个表面样品上的五个以上不同位置上测量接触角以获得平均值。
细菌粘附 ：将金黄色葡萄球菌ATCC 12600和大肠杆菌K-12分别在胰蛋白酶大豆肉汤（TSB）中于37℃培养24小时。然后，将细菌悬浮于100mM磷酸盐缓冲液（0.27mM氯化钾，13.7mM氯化钠， pH7.5的100mM磷酸钾）。 通过琼脂平板计数列举的磷酸盐缓冲液中细菌的初始浓度为3times;10 8 CFU / ml。 在三个1times;1cm 2样品的同时进行细菌粘附，包括平行，纳米孔和纳米带表面样品并排放置在平行板流动通道内（参见图S1）。分别评估亲水性和疏水性样品。将平行板流动通道的顶部和底部腔室板在2％RBS 35（Thermo Fisher Scientific，Waltham，MA，USA）中超声处理3分钟，然后用自来水，去离子水，甲醇，自来水冲洗，最后，去离子水。对于在静态条件下的粘附，将细菌悬浮液简单地保持在包含三种不同类型的测试样品的预清洁测试室内。
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