英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
可调润湿性的仿生层次表面结构调节细菌粘附
上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，上海东川路800号，邮编200240，中国科学院化学研究所北京分子科学国家实验室，邮编100190
摘要：为了规避不同地形对革兰氏阳性菌粘附的影响，对玫瑰花瓣结构复制的生物诱导的层次结构进行了润湿性调控的系统研究。通过调整超分子凝胶自组装膜的界面化学组成，可以得到从超亲水到超疏水的不同润湿表面。对革兰氏阳性菌在不同层次表面粘附的研究表明，由于其与可湿表面的相互作用机理不同，其粘附是由肽聚糖介导的。本研究为系统地研究润湿性调节细菌粘附的影响机理提供了可能，也为研究润湿性调节细菌粘附提供了一种新的思路。
关键词：细菌粘附性；润湿性；超分子凝胶；层次结构；肽聚糖。
透光性是材料表面的一个基本性质，对细菌粘附起着重要作用。1-10这种现象的部分原因可能归因于存在于细菌外壳中的多糖（如糖蛋白）的界面性质。11-13一般来说，适度湿润的表面更容易吸引细菌14-22和超湿润表面由于其特殊的自清洁特性，常常抑制细菌粘附。23-29因此，为了控制细菌在基质上的粘附，需要期望的表面润湿性，这通常是通过改变表面化学成分和形貌来实现的；通常，表面形貌的变化总是不可避免的。然而，这种变化也可能同时对细菌的行为带来意想不到的影响因素，导致对细菌粘附的表面润湿性依赖性降低。30这使得系统地研究润湿性调节细菌粘附对结构表面的影响机理成为可能，这仍然是一个迫切需要回答的最新问题。
为了避免不同拓扑结构带来的意外影响，将玫瑰花瓣拓扑结构复制到超分子凝胶G1[双（2-（2-羟基乙氧基）-乙基]2上，构建了一系列可调润湿性和相同拓扑结构的仿生层次结构，2,2rsquo;-（对苯二甲酸（氮杂二酯））双（3-苯基丙酸盐）和凝胶剂G2[二己基2,2rsquo;-（对苯二甲酸（氮杂二酯））双（3-苯基丙酸盐]基薄膜（图1a）。31当不同官能团被引入凝胶剂时，可通过非共价相互作用调节自组装薄膜的界面化学成分32-33凝胶剂之间（图1b），确保改变表面润湿性。其次，选择水凝胶作为基底可以简化复制玫瑰花瓣结构的过程（就像“冲压”，图1c），使我们能够制备具有相同层次结构的表面。通常情况下层次结构固有的放大特性可以保证超湿润表面的制备。31革兰氏阳性菌粘附的研究表明，细菌与不同的可湿表面结构有不同的相互作用机制（图1d）。为了探索这一点，我们研究了肽聚糖（PGN）在可湿表面上的动态吸附，因为PGN是革兰氏阳性细菌细胞包膜34,35的主要成分之一，是调节其粘附的有效因子。回应PGN对可湿表面的粘附行为与细菌的粘附行为一致。研究表明，PGN通过直接作用于可湿性表面而介导了革兰氏阳性的细菌在可湿性表面上的粘附行为，但在不同的可湿性表面上的作用机理不同。
图1。（a）超分子凝胶剂G1和G2的化学结构。（b）干凝胶表面有一层皮肤和大量纳米纤维的扫描电镜图像。（c）在干凝胶表面复制玫瑰模板的“冲压”方法。（d）通过改变表面化学成分和进一步的润湿性调节细菌粘附研究，展示了可调润湿性的图形表面从超亲水到超疏水
结果和讨论
分别与亲水性二甘醇（G1）和疏水性正己醇（G2）偶联制备了1,4-苯二甲酰胺-苯丙氨酸超分子凝胶。两个氢键合酰胺部分的平行取向提供了强大的单轴分子间相互作用，这是实施一维（1D）自组装所必需的（图S2和S3）。36-40通过扫描电子显微镜（SEM）表征，由于显著的干燥效应，干凝胶顶部形成了均匀的皮肤层；41然而，干凝胶的大部分形成了许多纳米纤维（图1b）。紫外线-可见稀释后的G1和G2纳米纤维凝胶的光谱在250-258纳米波长处产生最大吸光度，表示pi;-pi;*苯基团中的跃迁（图S4）。42圆二色性（CD）光谱在200纳米附近显示出明显的波谷（pi;pi;*跃迁，随机线圈的特征峰），在240纳米附近显示出不太明显的波谷（npi;*跃迁），建议beta;-旋转状排列（图2a）。43 G1和G2干凝胶的小角X射线散射（SAXS）图（图2b）揭示了纤维网络和纤维中多晶型排列的结晶性质。442个SAXS峰位于3.27和3.26 nm-1在G1和G2上观察到，分别对应于19.20和19.26Aring;的d间距。这与计算的G1和G2的分子长度相当（G1为20.48Aring;，G2为20.77Aring;，图S5a，b）。在这里，两种凝胶剂都可以采用苯基部分向内折叠的构象，将酰胺部分从水环境中屏蔽，从而允许通过氢键相互作用形成纳米纤维（图S5c）。45较小角度区域无峰表明在凝胶状态下没有高阶层状结构。46
图2。（a） G1和G2的CD光谱。（b） G1和G2的SAXS模式。
图3。（a）原始红玫瑰花瓣和玫瑰复制膜的扫描电镜图像：（b）G1，（c）G1:G2=3:1，（d）G1:G2=1:1，（e）G1:G2=1:3，（f）G2。（g） 不同质量比G1和G2的非耦合基底（黑线）和玫瑰结构基底（红线）的水接触角。（h）温泽尔状态，（i）卡西状态，（j）卡西浸湿状态下的水滴示意图。
在自组装上制备分级玫瑰花瓣状结构通过溶剂蒸发驱动的印记图案转移过程（图1c和S6），通过“冲压”技术进行薄膜制备。干燥后的凝胶表面可以完全复制出显著的微/纳米层次结构。此外，这种简单的复制过程可以应用于不同的前体（例如G1和G2的混合物），这不受化学成分或界面性质的限制（图S8）。在复制的G1，G2上观察到紧密排列的近似半球形的微乳头（直径20mu;m，高度10mu;m），和混合膜（G1:G2质量比为1:3～3:1），与原玫瑰花瓣的周期性微结构相似。图3a-f中放大的扫描电镜图像清楚地表明，这些微乳头顶部呈现纳米级的表皮皱褶，保持了玫瑰花瓣显著的层次结构。这些复制表面的粗糙度为5～7微米，与原始玫瑰花瓣的粗糙度（6.3微米）相似。用静态水接触角（CA）评价了凝胶表面的润湿性。对于非重叠表面，G1和G2的CA值为39.4。 1.2。还有92.3。 1.6。分别为（图S9），这归因于X射线光电子能谱（XPS，图S10）表征的不同表面化学成分。虽然G1和G2都是由结合能为284.6ev的碳原子组成，但碳的百分比是多少？G1表面的氧单键比G2表面的氧单键高，由于化学成分的影响，G1。47的表面能相对较高，含有G1和G2凝胶剂的干凝胶膜可以随着混合膜中疏水性G2的增加而增加表面疏水性（图3g中的黑线）。在G1和G2膜上复制玫瑰层次结构后，在图3g（红线）中观察到CA值的巨大变化。重复的G1表面表现出超亲水性（CA=5.4。 1.8。）而超疏水G2表面的CA值为150.1。 2.3。（图S11）。根据Wenzel模型48（costheta;w=rcostheta;y，w h e r etheta;y是平面上的年轻接触角，是粗糙度比，定义为表面真面积与其投影面积之比，状态如图3h所示）和卡西巴克斯特模型49（costheta;c=rfcostheta;ythorn;f f-1，这里theta;c和theta;y是卡西-Baxter角和Young接触角，r分别是实际面积与被液体润湿的固体表面投影面积的比值，f是投影湿面积的面积分数，状态如图3i所示，很明显，如果表面原本是亲水的，则真实CA将随着粗糙度（r）的增加而降低；否则，对于原本是疏水的表面，真实CA将更高。11其原因是粗糙度效应可以放大基底的固有润湿性（放大效果）。50-52因此，亲水性的G1膜在其上复制玫瑰层次结构后变得超亲水，疏水性的G2膜变得超疏水。典型地，对于超疏水性G2薄膜，当表面朝上或甚至当其翻转时，水滴保持球形（图S12），这意味着高接触角滞后和卡西-Baxter浸渍润湿状态（图3j）。31,53在该状态下，预计水滴会进入表面的微尺度凹槽，但不会进入纳米尺度凹槽。可以理解，微乳头中的水会附着在超疏水的G2表面。由于表面微纳米复合结构对复型后润湿性54,55的放大效应，CA值由47.3。 1.8。降低到31.1。 2.3。对于混合亲水膜（G1:G2=3:1）和65.4。 2.9。到54.3。 3.1。对于混合膜（G1:G2=1:1）。相反，相同的玫瑰花瓣结构可以诱导钙从88。 2.5。到130.2。 2.7。对于疏水膜（G1:G2=1:3）。在这里，如果在疏水膜上自由分配一滴水，则发现接触面积随蒸发保持恒定，清楚地指示了温泽尔状态的发生（图S13）。56,57随着亲水组分G1在混合膜中从0%增加到25%，表面能明显增强，水分子倾向于停留在纳米结构中以达到最小能量状态。因此，通过改变G1和G2的质量比，可以在很宽的范围内对所得到的结构薄膜的CA进行剪裁。具有不同润湿性的基底（来自超亲水性（CA 小于或等于5。），亲水性（CA=5-65。），疏水性（CA=65-150。）至超疏水性（大于或等于150。）为了研究和调节细菌粘附，我们方便地制作了相同的地形图。
图4。（a） 在不同表面上应用细菌的程序示意图。2小时后用PBS冲洗，用Olympus IX73倒置荧光显微镜观察。M、 2小时后紫癜在不同可湿表面的粘附：（b）CA=5。（c）CA=31。（d）CA=54。（e）CA=130。；和（f）CA=150。。比例尺：20mu;m。
随后，使用革兰氏阳性细菌微单孢菌紫色素对结构表面上的细菌粘附性进行测试（图4a）。研究了细菌在2小时内的粘附行为，因为表面润湿性可以改变细菌与基质在初始阶段的物理化学相互作用，进一步调节细菌在可湿表面上的粘附。图4b-f显示了DNA结合染料4rsquo;,6-二氨基-2-苯基吲哚（DAPI）对被吸附的紫色支原体的荧光图像。钙离子浓度在5。和150。之间的结构底物上的紫红假单胞菌研究，还有提示细菌粘附的最高水平出现在54°-30。区域显著降低。超湿性G1（CA=5。）和G2（CA=150。）表面，尽管薄膜具有不同的界面性质。与混合疏水表面（G1:G2=1:3，CA=130。）相比，革兰氏菌在G1和G2表面的粘附量分别减少了83.4%和88.6%。其他革兰氏菌，如中甘氏丝状杆菌、马利纳库里亚菌、地衣芽孢杆菌（图S14中的蓝线）也发现了类似的粘附现象。
由于PGN是革兰氏阳性菌的主要表面成分，因此研究了PGN的动态吸附行为，以探索革兰氏阳性菌粘附的机理（图5a）。60min后，PGN对所有底物的吸附均达到平衡状态。随着表面润湿性由超亲水性调整为超疏水性，吸附的PGN先增大后减小。
图5。（a） 180分钟内PGN在不同表面的吸附。（b）PGN吸附的拟一级动力学分析：ln（1-qt/qe）与时间的关系。直线的斜率代表什么-k1。（黑线，G1，CA=5。；红线，G1:G2=3:1，CA=31。；蓝线，G1:G2=1:1，CA=54。；绿线，G1:G2=1:3，CA=130。；粉色线，G2，CA=150。）（c） PGN在不同可湿膜上的吸附曲线（红线）。（d） 紫色葡萄球菌在不同可湿膜上的粘附曲线（黑线）。注：用ImageJ统计细菌粘附情况，至少3张照片。
最大的PGN吸附发生在疏水表面，CA 130。（2.12纳克/平方厘米）。超亲水性G1（CA=5。，0.32 ng/cm2）和超疏水G2（CA=150。与亲水性（G1:G2=1:1，CA=54。，1.86 ng/cm2）和疏水性（G1:G2=1:3，CA=130。，2.12 ng/cm2）表面。利用Lagergren的pesudo一阶（LFO）方程进一步确定了PGN的吸附速率常数（k1）（计算细节见第9部分的支持信息）。59计算出的PGN在超湿润G1和G2表面上的吸附速率常数k1均极低，分别为0.0264和0.0193 min-1，而k1值在中等亲水或疏水表面（G1:G2=1：3-3：1，CA=31-130。）在0.0629到0.0970 min-1（图5b，表S1），比超湿润表面高出几倍。这表明超湿表面对PG
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[238797]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
