研究發(fā)現(xiàn)充電可使材料獲得抗菌性能

材料和電之間存在密切的關(guān)聯(lián)。如基于摩擦起電的現(xiàn)象，通過選擇合適的材料和電路設(shè)計(jì)，可成功制備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的摩擦納米發(fā)電機(jī)。而將電場(chǎng)作用于材料時(shí)，也可對(duì)材料的多方面性質(zhì)產(chǎn)生影響，如改變材料的電荷數(shù)量和電荷分布。與此相比，不那么為人所知的是，生物細(xì)胞也在時(shí)刻進(jìn)行著密集、精細(xì)、活躍的電活動(dòng)。細(xì)胞維持新陳代謝所必需的能量的產(chǎn)生，就是通過電子在呼吸鏈上的一系列蛋白之間的傳遞所實(shí)現(xiàn)的。真核生物細(xì)胞的呼吸鏈相關(guān)蛋白位于線粒體內(nèi)，而微生物如細(xì)菌的呼吸鏈相關(guān)蛋白位于細(xì)胞膜上。因此，微生物對(duì)于外界的電擾動(dòng)更為敏感。

很多植入材料可通過其表面的物理修飾或化學(xué)改性，獲得一定的抗菌性能，從而更適應(yīng)植入的需求。這些修飾的作用機(jī)理都可落到“電”上。如在鈦基材料的表面通過離子注入的方式引入銀、鋅等納米顆粒，可由于在銀、鋅納米顆粒的周圍與鈦基底發(fā)生微觀的電化學(xué)反應(yīng)而使得鈦基底獲得抗菌性能。又如通過化學(xué)修飾，在材料表面修飾上帶正電荷的高分子，使得材料表面的電荷發(fā)生改變，也可使原本不具備抗菌能力的材料獲得抗菌性能。再者可以引入電場(chǎng)直接作用在納米材料表面，由于納米材料的小尺寸，可以在表面形成高壓電場(chǎng)，對(duì)細(xì)菌造成電穿孔，也可造成殺菌的效果。

近日，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了一種新的電對(duì)材料的作用方式，可以使材料獲得抗菌性能。該研究結(jié)果于5月24日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上(DOI: 10.1038/s41467-018-04317-2)。

這一研究發(fā)現(xiàn)起源于納米能源所李舟課題組和王中林課題組于2017年聯(lián)合在Nano Energy上發(fā)表的一項(xiàng)研究工作，助理研究員封紅青為第一作者。在那項(xiàng)工作中，他們將收集水波能的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流連接到修飾了氧化鋅納米線和納米銀顆粒的碳布電極上，并讓細(xì)菌溶液從碳布電場(chǎng)之間流過。他們檢測(cè)了發(fā)電機(jī)工作提供電壓、電流時(shí)，流經(jīng)該系統(tǒng)的細(xì)菌被殺滅的情況。在發(fā)電機(jī)停止工作不再對(duì)系統(tǒng)供電之后，他們又持續(xù)檢測(cè)了一段時(shí)間內(nèi)細(xì)菌被殺滅的情況。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象：發(fā)電機(jī)停止供電長(zhǎng)達(dá)20分鐘的時(shí)間段內(nèi)，修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極依然對(duì)流經(jīng)它們的細(xì)菌具有很強(qiáng)的殺滅作用!而如果沒有發(fā)電機(jī)之前的供電過程，同樣的修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極則沒有這樣強(qiáng)的殺菌作用。由于該實(shí)驗(yàn)體系的細(xì)菌溶液只是一次性地流經(jīng)電極，通電過程中可能發(fā)生的電化學(xué)產(chǎn)物都已隨之前的溶液流走，因此斷電后的抗菌性能不是由電化學(xué)產(chǎn)物的殘留造成的，而是一種電場(chǎng)對(duì)材料的“殘余影響”造成的。研究者發(fā)現(xiàn)電極材料的電容越大(氧化鋅納米銀雙修飾>氧化鋅單修飾>原始碳布)，則這種斷電后的長(zhǎng)期抗菌性能越強(qiáng)。同時(shí)，在斷電后處理的細(xì)菌胞體內(nèi)，檢測(cè)到了強(qiáng)烈的活性氧信號(hào)。

在此基礎(chǔ)上，由封紅青指導(dǎo)博士生王國(guó)敏開展實(shí)驗(yàn)工作，納米能源所李舟課題組和香港城市大學(xué)朱劍豪課題組密切合作，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在這一研究中，他們采用了新的抗菌體系和新的電容性電極材料：從原來(lái)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)體系改為靜態(tài)處理體系，采用基于二氧化鈦納米管的電容性材料，用碳修飾來(lái)增加材料的電容。并使用了傳統(tǒng)的直流、交流電源來(lái)對(duì)電極材料充電并檢測(cè)斷電后電極片的抗菌性能。與Nano Energy 的發(fā)現(xiàn)非常一致，他們?cè)谛碌捏w系中也檢測(cè)到了斷電后電場(chǎng)確實(shí)賦予了原本不抗菌的電容材料以新的抗菌性能，而且抗菌性能力與材料電容呈正相關(guān)。除了用之前的納米發(fā)電機(jī)供電之外，使用常見的直流、交流電源供電都可以產(chǎn)生這樣的效應(yīng);在被處理的細(xì)菌胞體內(nèi)，同樣檢測(cè)到了活性氧信號(hào)?；诖?，他們確認(rèn)充電可以賦予原本不抗菌的電容性材料以抗菌性能是一種普適的現(xiàn)象，他們將這一現(xiàn)象命名為“充電后的抗菌性”(post-charging anti-bacterial property)。他們還發(fā)現(xiàn)，充電這一操作對(duì)碳摻雜二氧化鈦表面的生物相容性沒有產(chǎn)生任何不利的影響，甚至促進(jìn)了成骨細(xì)胞在基底上的粘附和生長(zhǎng)。

“充電后的抗菌性”的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，提供了一種賦予醫(yī)學(xué)植入材料以抗菌性能的新方法。例如：在傳統(tǒng)的物理、化學(xué)等表面修飾方法之外，人們通過單純的充電，就可以使得骨科植入材料的二氧化鈦表面獲得抗菌性，從而減少術(shù)后感染和并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。這種“充電后的抗菌性”的新方法還可以避免傳統(tǒng)物理、化學(xué)等修飾手段的負(fù)作用，促進(jìn)成骨細(xì)胞在植入物表面的粘附和生長(zhǎng)，非常有利于骨折后的修復(fù)治療。同時(shí)，對(duì)“充電后抗菌”這一現(xiàn)象的揭示，也讓人們對(duì)電、材料以及生物之間的相互作用有了新的認(rèn)識(shí)，有望據(jù)此設(shè)計(jì)更多的電對(duì)材料的修飾方案以及開發(fā)更多的用途。該現(xiàn)象深層次的機(jī)理還值得進(jìn)一步探索。此工作封紅青、王國(guó)敏為并列第一作者，李舟和朱劍豪、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員王懷雨為論文的并列通訊作者。

圖1 在用納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行電穿孔水體殺菌實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)對(duì)ZnO/Ag電極施加電場(chǎng)之后，斷電后的電極依然具有殺滅細(xì)菌的能力。材料的電容大小與斷電后殺菌的效果正相關(guān)。

圖2 “充電后的抗菌性”的機(jī)理解釋。充電后的正電極片與細(xì)菌之間發(fā)生的劇烈電荷轉(zhuǎn)移，引發(fā)了活性氧爆發(fā)(ROS burst)，導(dǎo)致細(xì)菌死亡，可能是引發(fā)這一現(xiàn)象的原因。