背景介紹
植入式醫療器械表面產生的細菌黏附可引起災難性感染，給患者帶來極大的痛苦和經濟壓力。在醫療器械改性時使用抗生素，細菌抗生素耐藥性變得越來越大。與此同時，材料表面的化學修飾在防止細菌積聚和因此接近方面具有差的長期性能，通過機械表面形貌實現殺菌作用近年來變得越來越重要。本文介紹了高分子材料表面改性后用于機械殺菌效果的進展，重點是了解納米結構和細菌細胞壁之間的相互作用、有效的納米結構殺菌表面的基本設計參數以及殺菌機理模型。
主要的抗菌手段
細菌黏附于醫療器械表面的初始階段，可快速增殖形成一層致密生物膜，一旦生物膜開始形成，抑制細菌增殖將變得相當困難。高分子醫 療器械表面大多數不具有殺菌作用，因此，抗細菌吸附、抗生物膜形成，是醫用高分子料表面改性的主要方向現存抗菌材料的抗感染途徑主要包括了抗細菌黏附、接觸殺菌及藥物釋放殺菌、機械殺菌4類。機械殺菌是利用材料表面特殊拓撲結構實現抗菌效果，最具代表性的材料為黑硅。抗黏附涂層和接觸殺菌涂層主要是通過化學接枝手段實現長鏈高分子聚合物（如聚乙二醇等）或抗菌物質（如季銨鹽等）的材料表面固定化。黏附涂層在抑制細菌黏附的同時也可能影響損傷修復細胞的黏附，通常表現為有一定的細胞毒性。
細菌細胞壁分類
細菌細胞壁是一種多層結構，可為細菌提供強度、剛度和形狀，并保護細菌免受滲透破裂和機械損傷，機械殺菌的機制就是破壞細菌細胞壁的過程。根據其結構、組分和功能，細菌細胞壁可分為兩大類：革蘭陰性和革蘭氏陽性。革蘭氏陰性細胞壁是由外膜和一層7~8 nm的肽聚糖組成，外膜和肽聚糖通過脂蛋白連接，肽聚糖又位于外膜和細胞質膜之間的周質內。外膜含有一種可以穿過膜的、親水的小分子孔蛋白以及延伸到細胞外空間的脂多糖（LPS）分子。外膜中的這些成分對于革蘭氏陰性細菌的結構完整性和活力是必不可少的。革蘭氏陽性細胞壁含有一層厚的30~100 nmPG層（比革蘭氏陰性細菌厚4~5倍），它其中含有磷壁酸和脂磷壁酸，磷壁酸附著并嵌入PG層中，而脂磷壁酸延伸到細胞質膜中。
醫用高分子材料表面改性后殺菌效果
有研究表明，使用納米壓印光刻來制作聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面的仿生納米柱后并接種大腸桿菌，相較于在平坦的PMMA表面上大腸桿菌呈形態正常的棒狀，在擁有納米柱的結構上，當細菌伸展在幾根柱子上時，細菌出現了萎縮，柱子上不規則的（塊狀）細菌表明細胞已經破裂，膨脹壓力已經消失。柱狀表面與平面相比具有較低的黏附細菌密度（平膜上67％~91％的密度）。此外，黏附的大部分大腸桿菌死于柱狀表面（死亡部分比平膜上高16％~141％）。研究還指出，較小間距的納米柱具有更好的殺菌性能。最小間距且最小的納米柱與平面對照相比，在24 h內將細菌水性懸浮液中的負荷降低了50％。通過對細胞取向數據的定量分析，確定最佳納米柱間距的最小閾值在 130~380 nm之間。細菌細胞長度的測量也表明納米柱對大腸桿菌形態產生不利影響。總之，這項工作表明，具有精確尺寸的幾何形狀的印跡聚合物納米結構可以在不進行任何化學修飾的情況下殺死細菌。
納米結構表面的機械特性對其殺菌功效的影響
納米結構表面的殺菌活性取決于幾個參數，例如納米結構的尺寸、形狀和間隔/密度。這些結果表明，可以通過納米結構的密度和直徑來調節殺菌效率。然而，他們沒有解釋具有較小直徑和較高密度的較高殺傷效率背后的潛在機制。細菌和納米結構表面之間的黏附強度是納米結構中的重要元素，誘導細胞破裂。細菌細胞壁和表面之間的較大黏附力導致給定納米結構幾何形狀破裂的可能性很高。細菌與納米結構表面的黏附取決于表面的疏水性/親水性和細胞膜組成。當受到納米結構表面的挑戰時，細菌將通過增加與多個錨定點的接觸面積來嘗試沉積在納米結構表面上。在該拉伸過程中，當細胞壁達到作用于其上的應變的閾值極限時，細胞壁破裂可以發生。如果存在于表面上的納米結構是柔韌的，則它們可能彎曲并且更難以獲得拉伸的細胞壁破裂的閾值應變。因此，這種柔韌性可能使細菌使納米結構變形，使得微生物可以在“釘床”上沉降和增殖。
