细菌和纳米材料之间的物理或机械相互作用已成为一个具有科学和医学双重意义的话题。尤其是，机械杀菌纳米材料是克服细菌对经典抗生素耐药性的有前景的抗菌策略，因为它们的作用机制涉及纯粹的物理相互作用。低维纳米颗粒，如纳米管或纳米线，以及在表面纳米制造的高纵横比拓扑结构，正在被优化以实现其机械杀菌作用。然而，由于目前对其机械作用导致细菌死亡的机制缺乏了解，其发展受到限制。这些机制取决于材料特性和环境因素，并且可能涉及一系列强弱不同的机械相互作用，这些相互作用以不同的方式影响细菌的生理功能。
本综述研究了原子力显微镜（AFM）纳米压痕在量化细菌细胞壁破裂所需的力中的作用。报告的值范围从nN到几十nN，具体取决于细菌的类型和使用的实验条件。讨论了AFM针尖特性、加载速度、细菌固定策略或环境条件对测得的破裂值的潜在影响。这一观点还强调了细菌细胞破裂建模的复杂性，以及压力作为标准化实验结果参数的重要性。此外，还讨论了这些定量见解对理解机械杀菌纳米材料作用机制的影响。
图1. A）AFM纳米压痕实验示意图。B）典型的力-距离和 C）实验期间获得的力-压痕曲线。
AFM纳米压痕实验通常是通过将尖端以一定的压痕速度接近固定的活细菌来进行的，直到达到最大力值，然后尖端缩回。获得力-距离和力-压痕曲线，如果发生破裂，在接近曲线上观察到一个明显的峰值，并且可以获得破裂时的破裂力和压痕深度（图1）。
图2. A）大肠杆菌和 B）枯草芽孢杆菌在不同位置被2 nm AFM针尖刺穿200次后的AFM振幅图像。
2010年初的一篇论文表明，需要超过10 nN的力才能对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌产生可见且不可逆的损害（图2）。
图3. 使用具有三种不同纵横比的AFM针尖获得的鼠伤寒沙门氏菌穿刺曲线。
据报道，尖端的纵横比对力-压痕曲线的整体形状有影响。当尖端进入膜时，锥体尖端会受到更大的阻力，导致曲线中出现多个峰值，而使用更锐利的高深宽比尖端会导致只有一个峰值的曲线更干净（图3）。
在这篇综述中，破裂力值的重要性主要在机械杀菌纳米材料的背景下进行了讨论，这是一种可以克服抗生素耐药性的有前途的策略。事实上，估计的力高于预期，并导致对可能的机械杀菌作用机制的重新评估，即如何在细菌-材料界面处产生nN力以及较弱的机械相互作用的作用是什么。除了机械杀菌材料之外，细菌细胞壁渗透的问题也可能与其他情况有关，例如纳米和微电机穿过细菌细胞壁。
近期，该研究成果以“How Much Force is Needed to Kill a Single Bacterium?”为题发表于学术期刊《Small》，论文第一作者为Virginia Vadillo-Rodríguez，通讯作者为埃斯特雷马杜拉大学Virginia Vadillo-Rodríguez。
撰稿人：张程名
审稿人：武华君
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/smll.202407990
抗菌抗污材料前沿
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