解耦表面刚度与化学特性对铜绿假单胞菌在剪切条件下黏附与滞留的影响机制研究

本研究通过设计PS-PIB双层系统，首次实现表面刚度与化学特性的解耦控制，发现静态黏附不受基质模量影响，而剪切流中的细菌滞留率随刚度增加而下降，且与纳米压痕实验获得的分离功（整合黏附与耗散作用）显著相关，为调控生物膜形成提供了新力学视角。

　　

表面性质与化学均一性

该双层系统旨在提供可变杨氏模量（Young’s modulus）同时保持低表面粗糙度（＜1 nm）。将400 nm厚的聚异丁烯（PIB）层沉积于玻璃基底上，并覆盖不同厚度的聚苯乙烯（PS）层。测量发现双层系统的水接触角与纯PS厚层相似，这与既往研究一致：当PS膜厚度超过临界值时，其水接触角与厚度无关。X射线光电子能谱（XPS）分析证实所有样品表面均被PS完全覆盖，表明PIB层被有效掩蔽。原子力显微镜（AFM）成像显示所有表面均具有可忽略的粗糙度（均方根粗糙度＜0.5 nm），且未检测到相分离或微区形成。纳米压痕测试通过力-位移曲线计算得到杨氏模量，结果显示纯PIB模量为（2.0 ± 0.2）MPa，而PS层模量为（2.4 ± 0.2）GPa——与体材料值高度一致。随着PS层厚度增加，双层系统的等效模量逐渐上升，从纯PIB的2 MPa增至最薄PS层（12 nm）的约200 MPa，直至最厚PS层（102 nm）接近纯PS的模量（2.4 GPa）。

静态条件下的细菌黏附

通过测量铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa PAO1）在PIB-PS双层及纯PS或PIB单层上的附着情况，评估了基质刚度对细菌黏附的影响。为消除去湿效应并确保测量准确性，所有实验均在完全浸没的多孔板中进行。在非浸没条件下，气-液界面退缩产生的毛细力可能导致细菌脱落，造成实验偏差。静态黏附实验表明，细菌附着量主要受表面化学性质调控：疏水性最强的表面（纯PS，接触角91°）黏附量最高，而亲水性表面（氧等离子体处理的PS，接触角＜10°）黏附量最低。值得注意的是，在相同表面化学（PS覆盖）条件下，不同刚度表面间的细菌附着量无显著差异，表明初始黏附对基质力学特性不敏感。

流动条件下的实验观察

为探究基质力学性质是否影响动态条件下的细菌脱落，研究人员在流动池中施加剪切应力后评估了PAO1的滞留情况。通过气泡引入瞬态界面力（估算剪切力约91 Pa），该力级可有效去除弱黏附细菌。滞留率通过剪切前后表面细菌数量的比值量化。结果显示，细菌滞留率随基质刚度增加而下降：在最软的表面（纯PIB，2 MPa）上滞留率最高（约70%），而在最硬的表面（纯PS，2.4 GPa）上降至约40%。进一步分析发现，滞留率与纳米压痕测得的分离功（结合黏附与耗散贡献的力学描述符）呈正相关，且符合多价黏附随机框架下的幂律模型，反映了细菌群体在黏接触点数量与强度上的异质性。

结论

本研究明确了基质力学特性与剪切流中细菌滞留的关系。PS-PIB双层系统成功解耦了表面化学与力学性质，揭示出在相同化学条件下，铜绿假单胞菌PAO1的静态黏附不受刚度影响，而动态滞留则随刚度上升而降低，且与分离功密切相关。结果表明，黏弹性耗散是影响流动条件下细菌脱落的关键因素，为未来通过细菌突变体及多物种研究不同黏附策略的普适性提供了方向。