Kill-Release：苏州大学在具有“杀菌-释菌”可转换功能的智能抗菌表面方面取得系列进展
细菌在生物材料表面的黏附和后续生物膜的形成会引起一系列严重后果（如植入设备失败和组织感染等）。因此，赋予材料表面抗菌性能具有重大实用意义。然而，目前常见的抗菌策略主要集中在杀死表面黏附的细菌，而忽略了死细菌及碎片在表面的积累所造成的二次污染。针对这一问题，苏州大学材料与化学化工学部大分子与生物表界面团队（MacBio）的于谦副教授从博士后期间开始便着眼于智能抗菌表面的研究。其在国际上较早提出了具有“杀菌-释菌”（Kill-Release）功能转换的智能抗菌表面的设计策略，利用刺激响应性高分子在不同物理刺激因素下的性质变化调控细菌与表面的相互作用，实现对细菌的刺激响应性捕获、杀灭和释放，构建了一系列具有可循环使用、按需转换功能的新型抗菌表面。这类表面不仅能够高效地杀死黏附在表面的细菌，同时可以在一个适当的刺激下释放死细菌及其碎片使表面恢复清洁，从而保持长期有效的抗菌活性。
在美国杜克大学从事博士后研究工作期间，于谦副教授及其合作者结合多种抗菌剂和温度响应性聚合物聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）设计了两类智能抗菌表面。首先他们利用相关干涉光刻蚀（IL）技术和表面引发聚合，制备了纳米图案化PNIPAAm聚合物刷，而后将抗菌剂固定在纳米图案化PNIPAAm分子链接枝微区之间的空白区域。在生理温度下，由于PNIPAAm分子链的收缩导致抗菌剂的暴露，使得表面能够有效杀灭黏附的细菌；随着环境温度的降低，PNIPAAm分子链发生伸展将死细菌从表面释放使表面恢复清洁状态。（相关研究成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2013, 5, 9295-9304; Nanoscale, 2014, 6, 4750-4757; Biointerphases, 2016, 11, 0190003）。进一步地，他们应用基质辅助共振红外脉冲激光蒸镀（RIR-MAPLE）技术，将PNIPAAm与抗菌剂共同沉积在基材表面形成温度响应性“杀菌-释菌”多功能抗菌涂层。通过改变PNIPAAm和抗菌剂的初始比例，可以对表面的“杀菌-释菌”功能进行精确调控。（相关研究成果发表在J. Mater. Chem. B, 2014, 2, 4371-4378; Colloids Surf., B, 2015, 126, 328-334）
图1. 基于纳米图案化PNIPAAm/杀菌剂的温度响应性智能抗菌表面
2014年回国加入苏州大学后，于谦副教授将“Kill-Release”这一设计思路推广到其他刺激响应性材料体系。他们采用pH响应性聚合物聚甲基丙烯酸（PMAA）修饰具有纳米拓扑结构的硅纳米线阵列（SiNWAs），利用表面微区的化学组成和拓扑结构的协同效应，构建了一种利用pH实现对表面功能进行逐步精确调控（酸性时负载杀菌剂，中性时杀菌，碱性时释放死细菌）的智能抗菌表面。（相关研究成果作为内封面发表在Adv. Healthcare Mater., 2016, 5, 449-456,并被专业学术网站Global Medical Discovery选为Key Scientific Article）。此外，他们采用固定有偶氮苯（Azo）基团的表面和具有杀菌功能的季铵盐基团修饰β-环糊精（CD-QAS），构建了一种光响应的智能抗菌表面。CD-QAS能够通过主客体相互作用与反式Azo结合从而赋予表面高效的杀菌活性，而经过UV光照后Azo由反式构型转变为顺式构型，从而使CD-QAS从表面解离，进而将死细菌从表面释放。由于Azo顺反异构化的高效性，该表面可以通过可见光照射以及再次结合CD-QAS实现再生。（相关研究成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 25767-25774.）
图2. 基于PMAA修饰的SiNWAs的pH响应性智能抗菌表面
图3. 基于Azo/CD-QAS的光响应的智能抗菌表面
许多生物材料都需要表面具有抗菌性能，因此需要一种能够在不同物理化学性质表面构建抗菌涂层的方法。针对这一问题，他们提出了一种以非共价相互作用为驱动力的普适性抗菌表面功能化方法。利用层层组装技术在多种基材表面沉积含有金刚烷（Ada）的聚电解质多层膜，并通过主客体相互作用引入CD-QAS实现高效杀菌功能。通过引入SDS破坏Ada与CD-QAS主客体相互作用可以使死细菌从表面释放。该方法操作简单，条件温和。特别地，通过混合组装另一种生物分子修饰的β-环糊精，可以实现在保证抗菌功能的同时引入其他生物功能，这在需要材料具有多种生物功能的应用领域具有重要意义（相关研究成果发表在Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600600；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 30048-30057）。
图4. 结合层层组装和主客体相互作用构建普适性智能抗菌表面
基于以上的工作基础，他们撰写了题为“Smart Antibacterial Surfaces with Switchable Bacteria-Killing and Bacteria-Releasing Capabilities”的综述论文。论文第一作者是韦婷博士研究生，通讯作者是于谦副教授。该综述系统总结了近五年来有关智能抗菌表面的研究，并对该领域的未来的研究方向和主要挑战进行了展望。该论文已于近期发表在ACS Appl. Mater. Interfaces (2017, 9, 37511-37523)。
以上研究工作得到了国家自然科学基金（21774086, 21404076, 21334004），国家重点研发计划项目（2016YFC1100402），江苏省自然科学基金青年基金（BK20140316），江苏高校优势学科建设工程资助项目的大力支持。
论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b13565
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