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，可成功制備將機械能轉(zhuǎn)化為電能的摩擦納米發(fā)電機。而將電場作用于材料時，也可對材料的多方面性質(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)胞也在時刻進(jìn)行著密集、精細(xì)、活躍的電活動。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，微生物對于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(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，對細(xì)菌造成電穿孔，也可造成殺菌的效果。

近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所在實驗中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)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(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(fā)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，并讓細(xì)菌溶液從碳布電場之間流過。他們檢測了發(fā)電機工作提供電壓、電流時，流經(jīng)該系統(tǒng)的細(xì)菌被殺滅的情況。在發(fā)電機停止工作不再對系統(tǒng)供電之后，他們又持續(xù)檢測了一段時間內(nèi)細(xì)菌被殺滅的情況。他們發(fā)現(xiàn)了一個奇特的現(xiàn)象：發(fā)電機停止供電長達(dá)20分鐘的時間段內(nèi)，修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極依然對流經(jīng)它們的細(xì)菌具有很強的殺滅作用!而如果沒有發(fā)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。由于該實驗體系的細(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，而是一種電場對材料的“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)，則這種斷電后的長期抗菌性能越強。同時，在斷電后處理的細(xì)菌胞體內(nèi)，檢測到了強烈的活性氧信號。

在此基礎(chǔ)上，由封紅青指導(dǎo)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(xué)朱劍豪課題組密切合作，對這一現(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：從原來的動態(tài)流動體系改為靜態(tài)處理體系，采用基于二氧化鈦納米管的電容性材料，用碳修飾來增加材料的電容。并使用了傳統(tǒng)的直流、交流電源來對電極材料充電并檢測斷電后電極片的抗菌性能。與Nano Energy 的發(fā)現(xiàn)非常一致，他們在新的體系中也檢測到了斷電后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(guān)。除了用之前的納米發(fā)電機供電之外，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)，同樣檢測到了活性氧信號。基于此，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。

“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。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，非常有利于骨折后的修復(fù)治療。同時，對“充電后抗菌”這一現(xiàn)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(rèn)識，有望據(jù)此設(shè)計更多的電對材料的修飾方案以及開發(fā)更多的用途。該現(xiàn)象深層次的機理還值得進(jìn)一步探索。此工作封紅青、王國敏為并列第一作者，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)電機進(jìn)行電穿孔水體殺菌實驗的時候，發(fā)現(xiàn)對ZnO/Ag電極施加電場之后，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。

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