基于AlSe/SiH范德华异质结的双机制抗菌导管涂层设计及其在长期导尿感染预防中的应用

为解决长期导尿过程中细菌感染问题，研究人员设计了一种结合接触杀菌（Contact-Active）和释放杀菌（Release-Kill）双机制的稳定均匀抗菌导管涂层。通过密度泛函理论（DFT）计算，证实AlSe/SiH范德华异质结构具有II型能带排列（1.82 eV/1.10 eV HSE06/PBE）、超高载流子迁移率（16345 cm2/V·s电子/26466 cm2/V·s空穴）及强紫外-可见光吸收（1.76×105 cm?1@7.96 eV），其应变可调特性可优化光生电荷分离效率，为抗菌涂层的光催化/电催化功能提供新策略。

　　

在医疗领域，长期留置导尿管引发的细菌感染一直是临床难题。传统抗菌涂层多依赖单一杀菌机制，易导致细菌耐药性。与此同时，能源危机推动下发展的光催化技术，如TiO₂基材料，虽能通过光生电荷杀菌，但存在可见光响应差、载流子复合快等瓶颈。二维材料因其超大比表面积和可调控的电子结构成为突破口，但单层材料如SiH（带隙2.95 eV）和AlSe（带隙2.58 eV）仍面临效率不足的挑战。

为突破这些限制，研究人员将目光投向范德华（vdW）异质结构。通过第一性原理计算，团队系统研究了AlSe/SiH异质结构的稳定性与功能特性。该结构展现出完美的晶格匹配（晶格失配仅3.2%），经声子谱和分子动力学模拟证实其动力学稳定性。关键发现包括：1）形成II型能带结构，使光生电子富集于AlSe层而空穴集中于SiH层，实现空间电荷分离；2）双轴应变可线性调节带隙（-6%应变时最小），增强可见光响应；3）在zigzag方向测得超高载流子迁移率，远超单层材料（AlSe单层仅3.22×10³ cm²/V·s）；4）紫外区吸收系数达1.76×10⁵ cm^?1，且导带最低值（CBM=-4.14 eV）满足水还原电位要求。

研究采用密度泛函理论（DFT）框架下的CASTEP软件包，结合广义梯度近似（GGA-PBE）和杂化泛函（HSE06）进行电子结构计算，通过声子谱和AIMD模拟验证稳定性，并利用应变工程（-8%至+8%）系统调控光学性能。

主要结果可归纳为：

1. 几何与电子特性：异质结构界面距离3.35 ?，结合能-1.12 eV，证实vdW作用主导。HSE06计算显示直接带隙1.82 eV，比单层材料降低30%以上。
2. 应变响应：-6%压缩应变使带隙降至1.10 eV（PBE），吸收光谱红移约150 nm，覆盖更广的可见光区。
3. 光催化潜力：导带边（-4.14 eV）低于H⁺/H₂电位（-4.44 eV），价带边（-5.96 eV）高于O₂/H₂O电位（-5.67 eV），满足全水解热力学要求。
4. 抗菌机制：高迁移率载流子可穿透细菌膜，而应变诱导的带隙调控可实现光照/机械应力双响应杀菌。

该研究发表于《Surfaces and Interfaces》，首次将AlSe/SiH异质结构应用于抗菌领域，其双机制协同作用（接触杀菌+光催化产生活性氧）为长期导尿感染预防提供了新材料设计范式。通过应变工程实现性能按需调节的特性，更拓宽了其在柔性医疗器件中的应用前景。作者Zainab Akeel Talib等强调，该理论成果为实验制备提供了明确指导，后续需重点验证其在生理环境下的稳定性和生物相容性。