通过对316L不锈钢使用电-化学蚀刻工艺，研究人员创造了一种纳米织构化表面，可杀死细菌却不会伤害哺乳动物细胞。如果更多的研究支持早期测试结果，该工艺可用于攻击那些植入式医疗设备和用金属制成的食品加工设备上的污染微生物。

   虽然纳米织构材料杀死细菌的具体机制需要进一步研究，但研究人员认为，表面生成的微小刺突和其它纳米突起可以刺破细菌膜从而杀死病菌。这种表面结构并没有表现出对哺乳动物细胞有类似影响，其体量比细菌要巨大很多，不是一个数量级。除了抗菌效应，纳米织构还可以改善防腐性能。这项研究由佐治亚理工学院的研究人员于12月12日在《ACS生物材料科学与工程》杂志上发表。

图1  博士后Won Tae Choi和Yeongseon Jang在演示如何利用琼脂皿上菌落的生长情况来量化纳米织构表面对细菌黏着的影响。

   广泛的应用范围

   “这个表面处理技术具有潜在的广泛影响，因为不锈钢应用非常广泛，而且很多应用领域从中受益，”佐治亚理工学院化学和生物分子工程学院的副教授Julie Champion说道，“当前采用的许多抗菌法是添加了某种表面薄膜，这种薄膜极易磨损掉。由于我们实际上是在改变钢材本身，这对材料应该是永久性的。”Champion和她的佐治亚理工同事经过对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行测试发现，表面改变后既能杀死革兰氏阴性菌，也能杀革兰氏阳性菌。但是改变对小鼠细胞没有显现出毒性 — 这点很重要，因为细胞肯定依附在医疗植入物上，成为它们融入体内的一部分。

   该研究的初始目标是在不锈钢上生成超级疏水表面来排斥液体---并用它们来抵抗细菌。但很快就发现生成如此一个表面需要采用化学涂层，而研究人员并不想这样做。博士后研究员Yoengseon Jang和Won Tae Choi随后提出在不锈钢上使用纳米织构表面来控制细菌黏着的可选建议，并开始合作以证明这种效果。

   电 - 化学抛光

   研究小组在标准电-化学工艺中试验了各种等级的电压和电流。通常，电-化学工艺用来抛光不锈钢，但Champion和其合作伙伴Dennis Hess教授，以及化学和生物分子工程学院的Thomas C. Deloach和Jr.Chair，则利用该技术纳米级糙化表面。

   “条件合适时，纳米织构可以在晶粒表面结构上生成。”Hess解释道，“这个织构化处理加大了铬和钼的表面偏析，从而增强了耐腐蚀性能，这也是不锈钢与传统钢材的区别。”

   显微镜检查显示，在表面上有20至25纳米的突起。“就像一座山，有尖锐的山峰和山谷，”Champion说，“我们认为杀菌效果跟这些山形的尺度大小有关，使其能跟细菌细胞膜相互作用。”

   令研究人员吃惊的是，处理过的表面杀死了细菌，而且，由于该过程的发生似乎取决于生物物理过程而非化学过程，病菌应该不会对其产生抵挡力，她补充道。

   表面改性技术的第二个重要潜在应用是食品处理设备。对于食品处理设备，表面处理可以防止细菌黏着，且能增强现有的灭菌技术。研究人员使用不锈钢316L作为样品，采用电-化学方法处理其表面，在其浸入硝酸蚀刻溶液中时，给金属表面通电流。电流的施加使得电子从金属表面运动到电解质中，同时改变表面织构并使铬和钼浓缩。Hess说，特定的电压和电流密度控制着所产生的表面特性的类型及其尺寸大小，他与当时是博士生的Choi、在化学和生物分子学院担任副教授的Victor Breedvels以及在工程学和材料科学与工程学院的Preet Singh教授合作设计了纳米织构化工艺。

图1这些扫描电子显微镜图像显示了大肠杆菌在粘附上的不同。左边的不锈钢样品没有经过处理，而右边的样品经过处理，以创建纳米纹理表面

   抗菌性能

   为了更加全面地评估抗菌效果，Jang综合学习了乔治亚理工学院Woodruff机械工程学院的Regents教授Andres Garcia和研究生Christopher Johnson的专业知识。他们在实验过程中，允许细菌样品在处理过和未经处理过的不锈钢上的生长周期长达48小时。

   实验结束时，处理过的金属表面上细菌明显减少。通过将细菌移入溶液中后再将溶液放置在营养琼脂平板上，来自未经处理不锈钢的溶液在平板上有更多细菌生长，该观察进一步得以证实。其它实验也确认了处理过的表面上多数细菌已经死亡。

   然而，老鼠纤维原细胞似乎并未受到表面的困扰。“哺乳动物细胞看起来相当健康，”Champion说到，“它们具备繁殖和覆盖整个表面的能力，表明其对表面改性完全没有问题。”对于将来，研究人员计划进行长期研究以确保哺乳动物细胞能维持健康，同时还想确定钢材的纳米结构如何有效防止磨损。

   “基本上，前景看好。”，Hess说，“电-化学方法在很多领域的材料处理中的商业化应用已经常规化。”