微生物粘附在材料表面并生长形成生物被膜(biofilm)的现象广泛存在于食品加工设备、船舰水下部分以及医疗植入物等领域,对人们的生命和财产安全造成威胁。例如,在医疗植入物中,细菌倾向于附着在植入材料上,不仅会导致感染、排斥,严重时甚至会直接导致患者死亡。即使可以通过二次手术对植入材料进行替换,但这不仅会造成医疗资源的浪费,也会给患者的身体和经济上带来压力。
生物被膜一旦形成就难以根除,因此,防止细菌的初始粘附才是解决生物被膜的根本方法。细菌粘附的影响因素有很多,包括细菌和材料的种类、外界环境等,但更重要的是材料表面的化学成分、润湿性、粗糙度和表面形貌等,因此,可以通过对材料表面进行化学改性和物理改性来得到抗菌表面。化学改性有着本质缺点,例如存在潜在毒性和使细菌产生耐药性等。相比而言,对材料表面形貌的物理改性更加根本、长久、环保、生物相容性好。
自然界中一些生物表面具有独特的、有着抗菌效果的微纳结构,例如蝉翅表面的纳米锥结构、蜻蜓翅膀的纳米团簇结构、蛾眼的纳米主结构等,如图1所示。
图1 自然界中的抗菌表面
人们利用仿生学手段,基于上述结构,构建了多种具有良好抗菌性能的微纳结构表面,例如纳米管、纳米线、纳米尖刺等。随着超快激光制备技术的发展,其强大的微米结构制备能力和可以同时诱导出多种纳米结构的能力,使其在众多物理改性方法中脱颖而出,成为制备抗菌表面有效的手段之一。例如,激光诱导周期性表面结构(LIPSS)以及LIPSS与微米沟槽的复合结构等均具有良好的抗菌性能,如图2所示。而这主要是由于细菌粘附在微纳结构表面时,细菌膜由于拉伸作用破裂,导致细菌死亡,从而抑制生物被膜的形成,如图3所示。
图2 超快激光制备的抗菌表面
图3 微纳结构抗菌的物理机制
师法自然,超越自然,绍兴镭纳激光科技有限公司致力于使用超快激光制备在多种材料表面制备丰富的微纳结构以及赋予表面独特的性能,研发出多种对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌具有抗菌效果的表面微纳结构,具有广大的应用前景和发展潜力。
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