受昆虫翅膀启发!抗病毒、抗菌纳米结构铝合金表面,摩擦1000次无损伤

对于所有人来说,2020年都是不平凡的一年。新冠病毒肆虐,数以万计的人丢失生命,而医院作为救死扶伤的第一线,很容易发生病毒细菌的接触和飞沫传播而造成感染,因此对能保持表面清洁的抗菌抗病毒治疗的需求迫切增加。尽管过往已开发出一些抗菌表面,但可以杀死病毒的表面仍难以获得。

受昆虫翅膀启发!抗病毒、抗菌纳米结构铝合金表面,摩擦1000次无损伤

近日,澳大利亚昆士兰科技大学的Prasad KDV Yarlagadda团队受昆虫翅膀微观结构的杀菌特性的启发,采用湿法刻蚀技术制备了一种具有优异机械性能的抗病毒和抗菌纳米结构铝合金表面。将细菌或病毒施加到该表面,3小时后铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌大部分被灭活,而普通病毒的存活率在2小时内下降,其抗菌抗病毒能力均优于塑料或光滑铝表面。同时该纳米结构表面表现出优异的耐久性,可承受1000次2000µN的循环载荷而无任何损伤。

本研究首次报道了具有优异机械性能的抗病毒抗菌纳米结构表面,随机取向的尖锐的纳米结构使细菌不可逆变形,也能够破坏病毒包膜或使其困在纳米结构中失活。这种表面有可能阻止医院物理表面引起的感染传播。研究人员表示该策略可以扩展到游轮、飞机等其他公共区域的表面,该团队目前正在研究这种纳米结构铝合金表面对新型冠状病毒的影响。

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纳米结构铝合金表面的制备

采用水射流切割技术将2.5mm的Al 6063合金板切割成直径为10mm的圆盘。在室温下采用湿法刻蚀技术制备纳米结构。用2.0M NaOH刻蚀Al 6063圆盘30min、60min和3h,未刻蚀的圆盘作为对照组。

表面表征

如图1所示,纳米结构随着刻蚀时间的增加而变得明显,在扫描电镜下观察到随机取向的纳米形貌,其中纳米结构呈脊状排列。这种渐缩的纳米结构仅在高放大倍率下可见,并且在整个刻蚀的铝合金表面上以平行脊状随机堆积。

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图1.刻蚀表面SEM示意图

如表1所示,随着刻蚀时间的增加,表面的润湿性呈现出接触角减小的趋势。对照表面是疏水的,而纳米结构的表面是高度亲水的,在不同的表面长度尺度上,由于形貌的变化,水滴也有可能被吸收,导致疏水性降低。

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表1.刻蚀表面的静态水接触角值

抗菌性能研究

随后,研究人员选用铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌来评估纳米结构表面的抗菌性能。

如图2所示,铜绿假单胞菌及金黄色葡萄球菌粘附在光滑对照表面上形成菌落,而在刻蚀表面上,两种细菌的细胞均由于纳米结构形貌而塌陷变形。

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图2.抗菌性能测试

如图3所示,附着的铜绿假单胞菌细胞中约91.9%不能存活,而附着的金黄色葡萄球菌细胞也有87%的无法存活。以上结果证明刻蚀得到的纳米结构表面具有优异的抗菌性能。

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图3.细菌活性分析

抗病毒性能研究

研究人员选择包膜病毒(RSV)和非包膜病毒(RV)暴露在刻蚀和对照表面后的一段时间内检测存活率,首次表征了纳米结构表面对病毒颗粒的影响。

如图4所示,在2小时内,纳米结构刻蚀表面上的RSV病毒存活率明显低于对照铝和无任何表面的细胞培养塑料板。而对于RV病毒来说,在较短的2小时内,与在对照铝表面上也显示出一定程度减少的RSV病毒相比,仅在纳米结构表面上观察到RV病毒存活率的下降。证明了该纳米结构铝合金表面具有很好的抗病毒性能,应用于医院等场所能够在一定程度上减少病毒的传播。

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图4.病毒存活率测试

机械性能测试

研究人员采用纳米压痕测试来测试其耐久性。将2000 µN的1000次循环载荷施加到纳米结构表面上,如图5所示,即使在循环负载之后,大多数纳米结构也得以保留。结果表明,纳米结构表面具有优异的机械性能。

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图5.纳米压痕测试

 

结论

在本篇文章中,使用简单的基于氢氧化钠的湿法刻蚀工艺在铝合金表面上制造了纳米级形貌,将最初光滑的疏水表面变成了脊状亲水表面。

该纳米结构表面具有优异的抗菌抗病毒性能,能够裂解87%的附着的金黄色葡萄球菌和92%的附着的铜绿假单胞菌细胞,与对照表面相比,在2小时内RSV和RV病毒的存活率显著降低。

另外,纳米结构表面出色的耐久性,可以承受2000 µN负载1000次循环的重复作用力而没有任何损伤。这种纳米结构铝合金表面能够降低细菌病毒表面接触传播的可能性,对减少医疗保健相关的感染工作将大有助益。

原文链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsbiomaterials.0c00348

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