生物材料表面纳米拓扑的物理刺激作为一种无需任何药物或化学试剂的新型抗菌原理而引起关注。具有纳米级不均匀性的纳米拓扑结构明显小于细菌细胞，可以直接对细菌细胞施加各种物理刺激。通过表面粗糙度影响材料表面的电气特性，电势分布和电场强度范围受面向等离子体的部件的表面形貌的影响，具有锋利边缘或顶点的粗糙钛表面增加了边缘或顶点尖端的表面电荷密度和电场强度。
本研究旨在确定钛纳米表面的抗菌能力及其机制。与机加工或微粗糙化钛表面相比，具有各向同性或各向异性图案纳米尖峰的两种类型的碱蚀刻钛纳米表面具有明显更致密的表面突起、更大的超亲水性和更大的负电荷。各向同性钛纳米表面不抑制革兰氏阳性球菌（如金黄色葡萄球菌）的附着，而各向异性钛纳米表面显着抑制革兰氏阳性球菌附着。具有各向异性图案的致密纳米尖峰的钛纳米表面对革兰氏阳性或阴性细菌产生抗生物污染或机械杀菌作用，纳米尖峰图案的各向异性诱导了电提示。
图 1.钛纳米表面的形貌特性。
SEM图像证明两种类型的钛纳米表面都表现出密集而众多的纳米级尖峰，EDX分析仅在MA和MR表面检测到钛。此外，在纳米表面上还检测到氧和钠。并通过顶点密度、费雷特直径和垂直粗糙度值钛纳米表面进行表征（图1）。
图 2.钛纳米表面的晶体学和电学特性。
使用透射电子显微镜检查了钛纳米表面的晶体学和电周、各向同性纳米粗糙化和各向异性纳米粗糙化。以及每种钛表面上的水接触角证明其超亲水性，使用傅里叶变换红外（FTIR）光谱表面检测到羟基，用开尔文探针力显微镜对每个钛表面评估的代表性形貌和表面电位图像和接触电位差，散点图显示了各向异性与顶点密度的乘积与每个钛表面上固体表面的接触电位差或平均 zeta 电位的最大值之间的相关性（图2）。
图 3. 钛纳米表面对革兰氏阳性球菌定植的影响。
SEM观察表明细菌被捕获并在MR表面的凹槽中生长，相比之下，细胞简单地附着在MA表面并且压痕小于细胞体的两个NR表面都显示出相似的定植外观。使用SEM图像、结晶紫染色的吸光度、测量细菌三磷酸腺苷量的荧光素酶活性、共聚焦激光显微镜图像以及定量每个钛表面细菌培养物中活细胞和死细胞 8 小时后活细胞和死细胞的百分比（图3）。
图 4.钛纳米表面对革兰氏阳性球菌初始附着的影响。
金黄色葡萄球菌培养物中的荧光素酶活性在NR_ani钛表面最低。相比之下，PBS中的2小时细菌培养物在MA表面显示出最低的荧光素酶活性。MA表面的BHI与PBS培养物中的荧光素酶活性之比是其他表面的四倍。NR_iso和NR_ani钛表面吸附的BHI蛋白量高于MA表面。水接触角与钛表面BHI中2小时金黄色葡萄球菌培养物的荧光素酶活性呈正相关。此外，负zeta电位与钛表面上的初始金黄色葡萄球菌附着呈正相关。两种类型的纳米粗糙钛表面都减少了另一个革兰氏阳性球菌属 S 的初始附着（图4）。
具有致密和各向异性图案的氧化钛纳米刺突的钛纳米表面通过分别排斥和杀死革兰氏阳性球菌和革兰氏阴性杆菌来发挥抗菌活性。具有光滑加工凹槽、微粗糙不规则性或各向同性图案纳米尖峰的其他类型的钛表面不表现出机械杀菌作用。这些抗菌能力归因于超亲水性和电化学反应性，以及比细菌细胞体更细的纳米级不规则性。纳米尖峰的密集和各向异性分布放大了固有的电化学反应性并扰乱了细菌细胞表面。
近期，该研究成果以“Anisotropic patterns of nanospikes induces anti-biofouling and mechano-bactericidal effects of titanium nanosurfaces with electrical cue”为题发表于学术期刊《Materials Today Bio》，论文第一作者为Eiji Kato，通讯作者为日本东北大学Masahiro Yamada。
撰稿人：刘彦庆
审稿人：邹开凤
论文全文链接
https://doi.org/10.1016/j.mtbio.2024.101352
抗菌抗污材料前沿
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