材料和電之間存在密切的關聯. 如基於摩擦起電的現象, 通過選擇合適的材料和電路設計, 可成功製備將機械能轉化為電能的摩擦納米發電機. 而將電場作用於材料時, 也可對材料的多方面性質產生影響, 如改變材料的電荷數量和電荷分布. 與此相比, 不那麼為人所知的是, 生物細胞也在時刻進行著密集, 精細, 活躍的電活動. 細胞維持新陳代謝所必需的能量的產生, 就是通過電子在呼吸鏈上的一系列蛋白之間的傳遞所實現的. 真核生物細胞的呼吸鏈相關蛋白位於線粒體內, 而微生物如細菌的呼吸鏈相關蛋白位於細胞膜上. 因此, 微生物對於外界的電擾動更為敏感.
很多植入材料可通過其表面的物理修飾或化學改性, 獲得一定的抗菌性能, 從而更適應植入的需求. 這些修飾的作用機理都可落到 '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, 可由於在銀, 鋅納米顆粒的周圍與鈦基底發生微觀的電化學反應而使得鈦基底獲得抗菌性能. 又如通過化學修飾, 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. 再者可以引入電場直接作用在納米材料表面, 由於納米材料的小尺寸, 可以在表面形成高壓電場, 對細菌造成電穿孔, 也可造成殺菌的效果.
近日, 中國科學院北京納米能源與系統研究所在實驗中發現並確認了一種新的電對材料的作用方式, 可以使材料獲得抗菌性能. 該研究結果於5月24日發表在《自然-通訊》 (Nature Communications) 期刊上 (DOI: 10.1038/s41467-018-04317-2) .
這一研究發現起源於納米能源所李舟課題組和王中林課題組於2017年聯合在Nano Energy上發表的一項研究工作, 助理研究員封紅青為第一作者. 在那項工作中, 他們將收集水波能的摩擦納米發電機輸出的電壓, 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, 並讓細菌溶液從碳布電場之間流過. 他們檢測了發電機工作提供電壓, 電流時, 流經該系統的細菌被殺滅的情況. 在發電機停止工作不再對系統供電之後, 他們又持續檢測了一段時間內細菌被殺滅的情況. 他們發現了一個奇特的現象: 發電機停止供電長達20分鐘的時間段內, 修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極依然對流經它們的細菌具有很強的殺滅作用! 而如果沒有發電機之前的供電過程, 同樣的修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極則沒有這樣強的殺菌作用. 由於該實驗體系的細菌溶液只是一次性地流經電極, 通電過程中可能發生的電化學產物都已隨之前的溶液流走, 因此斷電後的抗菌性能不是由電化學產物的殘留造成的, 而是一種電場對材料的 '殘餘影響' 造成的. 研究者發現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) , 則這種斷電後的長期抗菌性能越強. 同時, 在斷電後處理的細菌胞體內, 檢測到了強烈的活性氧訊號.
在此基礎上, 由封紅青指導博士生王國敏開展實驗工作, 納米能源所李舟課題組和香港城市大學朱劍豪課題組密切合作, 對這一現象進行了系統的研究. 在這一研究中, 他們採用了新的抗菌體系和新的電容性電極材料: 從原來的動態流動體系改為靜態處理體系, 採用基於二氧化鈦納米管的電容性材料, 用碳修飾來增加材料的電容. 並使用了傳統的直流, 交流電源來對電極材料充電並檢測斷電後電極片的抗菌性能. 與Nano Energy 的發現非常一致, 他們在新的體系中也檢測到了斷電後電場確實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. 除了用之前的納米發電機供電之外, 使用常見的直流, 交流電源供電都可以產生這樣的效應; 在被處理的細菌胞體內, 同樣檢測到了活性氧訊號. 基於此, 他們確認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象, 他們將這一現象命名為 '充電後的抗菌性' (post-charging anti-bacterial property) . 他們還發現, 充電這一操作對碳摻雜二氧化鈦表面的生物相容性沒有產生任何不利的影響, 甚至促進了成骨細胞在基底上的粘附和生長.
'充電後的抗菌性' 的發現和確認, 提供了一種賦予醫學植入材料以抗菌性能的新方法. 例如: 在傳統的物理, 化學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, 從而減少術後感染和併發症的風險. 這種 '充電後的抗菌性' 的新方法還可以避免傳統物理, 化學等修飾手段的負作用, 促進成骨細胞在植入物表面的粘附和生長, 非常有利於骨折後的修複治療. 同時, 對 '充電後抗菌' 這一現象的揭示, 也讓人們對電, 材料以及生物之間的相互作用有了新的認識, 有望據此設計更多的電對材料的修飾方案以及開發更多的用途. 該現象深層次的機理還值得進一步探索. 此工作封紅青, 王國敏為並列第一作者, 李舟和朱劍豪, 中科院深圳先進技術研究院研究員王懷雨為論文的並列通訊作者.
圖1 在用納米發電機進行電穿孔水體殺菌實驗的時候, 發現對ZnO/Ag電極施加電場之後, 斷電後的電極依然具有殺滅細菌的能力. 材料的電容大小與斷電後殺菌的效果正相關.
圖2 '充電後的抗菌性' 的機理解釋. 充電後的正電極片與細菌之間發生的劇烈電荷轉移, 引發了活性氧爆發 (ROS burst) , 導致細菌死亡, 可能是引發這一現象的原因.
