仿生抗菌表面在生物医学领域的应用研究进展

表面细菌污垢已成为迫切的全球挑战，需要具有韧性的解决方案。尽管抗生素在对抗细菌入侵方面非常有效，但容易导致微生物耐药性，威胁人类健康并影响药物的功效。在自然界中，许多生物体已经演化出具有特定物理化学性质的各种表面，以对抗不同环境中的细菌，为实施仿生方法提供了重要的灵感。本文提出代表性的天然抗菌表面，讨论其相应的机制，并介绍了生物启发的主动和被动抗菌策略的最新进展以及这些抗菌表面的生物医学应用和前景。

图为自然和仿生抗菌表面的策略。

1. 天然抗菌表面

天然抗菌表面可以分为排斥细菌的表面 (例如海洋生物的粘液、爬行动物的皮肤和植物叶子) 和接触杀菌表面 (例如昆虫的翅膀)。通常，排斥细菌的表面通常是通过引入超疏水性来显著降低细菌的附着，而与排斥细菌的策略不同，接触杀菌效应在于它们极其微小的结构可以由于集中的机械应力穿透细胞膜，并逐渐破裂细胞。

2. 仿生抗菌表面

对自然抗菌表面的深入研究为开发高性能的仿生抗菌表面，以有效预防细菌感染，提供了可行的策略。根据是否需要额外的干预，仿生抗菌表面可以分为被动和主动两种类型。

2.1、被动式抗菌表面

提高细菌表面的排斥作用，主要受到超疏水生物皮肤的启发，可以显著减少细菌感染率。然而排斥细菌的表面并不总是能够成功地阻止细菌附着在上面。在这种情况下，我们需要另一种有效的策略来抵抗细菌感染，即接触杀菌表面，细菌一旦接触到表面就会被杀灭。以上的被动抗菌表面存在一个瓶颈：在长期使用过程中，抗菌表面的杀菌效率可能会减弱，同时对正常细胞和组织的毒性可能会加剧。一种潜在的替代候选方案是可以按需开启/关闭的响应性表面。表面的响应性归因于使用可以受刺激的物质，这些物质可以通过细菌化学信号的变化 (即. pH值和酶) 或外部触发器 (即温度、离子、光线和磁性) 来触发。

2.2、活性抗菌表面

与对多种恶劣环境具有适应性和灵活性的生物抗菌表面不同，人工表面通常显示相对短期的抗细菌特性。为了防止细菌附着和生物膜形成，依赖于机械力或能量波等外部来源的新物理去除策略已经成为抗菌剂的替代方案。一般来说，这些外部来源包括剪切力、界面张力、机械波、动态驱动运动和等离子体处理。

3. 仿生抗菌表面的应用

3.1、生物医学设备/植入物

生物医学设备和植入物面临着由细菌感染引起的功能失效的风险，这可能导致患者的次生损害甚至死亡。因此，寻求耐用的生物医学设备以控制细菌附着和繁殖已变得更加迫切。

3.2、伤口敷料

开放性伤口和烧伤易于细菌感染，因为表皮缺乏保护。仿生敷料具有可逆氧化还原活性，赋予抗菌活性并促进伤口愈合。

3.3、电子皮肤

由于电子皮肤通常附着在人体上，由含有有机物的汗水污染可能导致微生物生长。这种微生物生长可能导致使用者发炎和细菌感染，对其健康有害。为了从根本上解决这个问题，电子皮肤应该具有额外的抗菌能力。

3.4、空气消毒系统

随着人口和人类活动的迅速增加，无序排放的污染空气和废水已经不可逆地损害了人类健康。针对公共健康面临的重大威胁，迫切需要采取行动来解决源头污染问题。

4. 展望

尽管仿生抗菌表面具有抑制细菌侵入的显著能力，但仿生抗菌表面面临着一些限制和问题。首先，仿生抗菌表面应该能够高度适应各种细菌。其次，仿生抗菌表面应该具有长期耐久性。第三，仿生抗菌表面需要实现生物相容性。专注于仿生抗菌表面的生物医学应用，安全性成为首要任务。想要实现仿生抗菌表面的充分商业化涉及高度跨学科的问题，这需要化学家、工程师、生物医学研究人员和临床医生不断而集体地努力，设计、开发、展示和交付下一代仿生抗菌表面和产品。我们预见，通过不懈的努力支持，将在仿生抗菌表面的发展中取得显著突破，进一步丰富人类健康的抗菌策略库。

原文出自 Biomimetics 期刊

Yang, X.; Zhang, W.; Qin, X.; Cui, M.; Guo, Y.; Wang, T.; Wang, K.; Shi, Z.; Zhang, C.; Li, W.; et al. Recent Progress on Bioinspired Antibacterial Surfaces for Biomedical Application. Biomimetics 2022, 7, 88. https://doi.org/10.3390/biomimetics7030088

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。