受昆蟲翅膀啟發!抗病毒、抗菌納米結構鋁合金表面,摩擦1000次無損傷

對於所有人來說,2020年都是不平凡的一年。新冠病毒肆虐,數以萬計的人丟失生命,而醫院作為救死扶傷的第一線,很容易發生病毒細菌的接觸和飛沫傳播而造成感染,因此對能保持表面清潔的抗菌抗病毒治療的需求迫切增加。盡管過往已開發出一些抗菌表面,但可以殺死病毒的表面仍難以獲得。

受昆蟲翅膀啟發!抗病毒、抗菌納米結構鋁合金表面,摩擦1000次無損傷

近日,澳大利亞昆士蘭科技大學的Prasad KDV Yarlagadda團隊受昆蟲翅膀微觀結構的殺菌特性的啟發,采用濕法刻蝕技術制備瞭一種具有優異機械性能的抗病毒和抗菌納米結構鋁合金表面。將細菌或病毒施加到該表面,3小時後銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌大部分被滅活,而普通病毒的存活率在2小時內下降,其抗菌抗病毒能力均優於塑料或光滑鋁表面。同時該納米結構表面表現出優異的耐久性,可承受1000次2000µN的循環載荷而無任何損傷。

本研究首次報道瞭具有優異機械性能的抗病毒抗菌納米結構表面,隨機取向的尖銳的納米結構使細菌不可逆變形,也能夠破壞病毒包膜或使其困在納米結構中失活。這種表面有可能阻止醫院物理表面引起的感染傳播。研究人員表示該策略可以擴展到遊輪、飛機等其他公共區域的表面,該團隊目前正在研究這種納米結構鋁合金表面對新型冠狀病毒的影響。

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納米結構鋁合金表面的制備

采用水射流切割技術將2.5mm的Al 6063合金板切割成直徑為10mm的圓盤。在室溫下采用濕法刻蝕技術制備納米結構。用2.0M NaOH刻蝕Al 6063圓盤30min、60min和3h,未刻蝕的圓盤作為對照組。

表面表征

如圖1所示,納米結構隨著刻蝕時間的增加而變得明顯,在掃描電鏡下觀察到隨機取向的納米形貌,其中納米結構呈脊狀排列。這種漸縮的納米結構僅在高放大倍率下可見,並且在整個刻蝕的鋁合金表面上以平行脊狀隨機堆積。

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圖1.刻蝕表面SEM示意圖

如表1所示,隨著刻蝕時間的增加,表面的潤濕性呈現出接觸角減小的趨勢。對照表面是疏水的,而納米結構的表面是高度親水的,在不同的表面長度尺度上,由於形貌的變化,水滴也有可能被吸收,導致疏水性降低。

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表1.刻蝕表面的靜態水接觸角值

抗菌性能研究

隨後,研究人員選用銅綠假單胞菌和金黃色葡萄球菌來評估納米結構表面的抗菌性能。

如圖2所示,銅綠假單胞菌及金黃色葡萄球菌粘附在光滑對照表面上形成菌落,而在刻蝕表面上,兩種細菌的細胞均由於納米結構形貌而塌陷變形。

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圖2.抗菌性能測試

如圖3所示,附著的銅綠假單胞菌細胞中約91.9%不能存活,而附著的金黃色葡萄球菌細胞也有87%的無法存活。以上結果證明刻蝕得到的納米結構表面具有優異的抗菌性能。

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圖3.細菌活性分析

抗病毒性能研究

研究人員選擇包膜病毒(RSV)和非包膜病毒(RV)暴露在刻蝕和對照表面後的一段時間內檢測存活率,首次表征瞭納米結構表面對病毒顆粒的影響。

如圖4所示,在2小時內,納米結構刻蝕表面上的RSV病毒存活率明顯低於對照鋁和無任何表面的細胞培養塑料板。而對於RV病毒來說,在較短的2小時內,與在對照鋁表面上也顯示出一定程度減少的RSV病毒相比,僅在納米結構表面上觀察到RV病毒存活率的下降。證明瞭該納米結構鋁合金表面具有很好的抗病毒性能,應用於醫院等場所能夠在一定程度上減少病毒的傳播。

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圖4.病毒存活率測試

機械性能測試

研究人員采用納米壓痕測試來測試其耐久性。將2000 µN的1000次循環載荷施加到納米結構表面上,如圖5所示,即使在循環負載之後,大多數納米結構也得以保留。結果表明,納米結構表面具有優異的機械性能。

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圖5.納米壓痕測試

結論

在本篇文章中,使用簡單的基於氫氧化鈉的濕法刻蝕工藝在鋁合金表面上制造瞭納米級形貌,將最初光滑的疏水表面變成瞭脊狀親水表面。

該納米結構表面具有優異的抗菌抗病毒性能,能夠裂解87%的附著的金黃色葡萄球菌和92%的附著的銅綠假單胞菌細胞,與對照表面相比,在2小時內RSV和RV病毒的存活率顯著降低。

另外,納米結構表面出色的耐久性,可以承受2000 µN負載1000次循環的重復作用力而沒有任何損傷。這種納米結構鋁合金表面能夠降低細菌病毒表面接觸傳播的可能性,對減少醫療保健相關的感染工作將大有助益。

原文鏈接:

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

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