综述：纳米结构表面与水凝胶涂层抗细菌黏附的设计

本综述系统归纳了抗菌水凝胶设计及聚合物表面特性（粗糙度、电荷、超疏水性、自由能、纳米力梯度）对微生物黏附的影响机制。水凝胶凭借三维多孔结构和高含水率实现抗菌剂（如Ag+、壳聚糖衍生物）的负载与智能释放（如pH/光响应）；传统聚合物则通过表面工程（如仿生微纳结构）调控抗菌性能，为开发多功能抗菌材料（如自清洁、抗生物膜）提供理论依据。

　　

2. 抗菌水凝胶

水凝胶是一类具有三维网络结构的弹性材料，其含水量可超过90%，适合通过物理/化学作用负载抗菌成分。例如，将Ag⁺引入壳聚糖/氨水体系可形成具有持续抗菌效果的物理水凝胶；而采用pH响应型设计（如树枝状大分子包覆的银纳米颗粒）可在细菌代谢产酸时触发抗菌剂释放，增强靶向杀菌能力。除金属离子外，天然聚合物如壳聚糖衍生物、季铵盐和抗菌肽也可通过静电作用破坏细菌膜结构或抑制DNA转录，实现广谱抗菌。

为解决抗菌剂释放时间短的问题，环境响应型水凝胶成为研究热点。例如，负载聚多巴胺和Mg²⁺的聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶在激光照射下产生光热效应（升温>20°C），导致细菌膜破裂和蛋白变性；黑磷纳米片水凝胶通过光触发活性氧（ROS）生成杀菌；而锡烯纳米片复合水凝胶在超声作用下产生ROS，兼具可注射性和促进伤口愈合功能。这些设计融合了抗菌性、生物相容性和组织修复功能，适用于医疗场景。

3. 聚合物表面特性对微生物黏附的影响

3.1 表面粗糙度

微观尺度的粗糙度变化显著影响细菌黏附。研究表明，表面粗糙度在2-390 nm范围内变化时，细菌污染水平可相差75倍。纳米柱直径越小，微生物黏附强度越低，说明表面刚度与微纳结构协同调控黏附行为。

3.2 表面电荷

电荷性质对细菌黏附具有物种特异性：金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）在亲水正电荷表面黏附最强，在亲水负电荷表面最弱，疏水表面居中。

3.3 表面超疏水性

具有分级微纳结构的超疏水表面（如仿鲨鱼皮Sharklet AFTM）能有效隔离细菌，减少生物膜形成。其抗黏附机制源于 trapped air layer 形成的气-液界面，细菌难以穿透高表面张力的空气层。天然超疏水表面（如香蕉叶）的凹槽边界因空气快速消散成为细菌优先黏附位点。

3.4 表面自由能

表面自由能（SFE）及其极性/色散组分调控微生物黏附。铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在SFE为20-27 mN/m时黏附最低；而酵母菌和大肠杆菌对SFE的响应相反，表明需根据菌种特性设计表面能。

3.5 表面纳米力梯度

图案化PDMS表面产生的0-374 nN纳米力梯度可使乌尔瓦孢子黏附减少72%；铝表面纳米孔（15-50 nm）通过改变电荷分布和局部应力梯度抑制病原体黏附。这类物里干预策略无需化学修饰，具有环保优势。

3.6 多因素协同效应

表面特性（如粗糙度、疏水性、自由能）相互关联。例如，仿玫瑰花苞的分级结构（23 μm凸起+700 nm皱纹）通过协同作用增强疏水性和抗菌性；低表面能超疏水涂层结合银纳米粒子释放可实现多重抗菌机制。

4. 抗菌聚合物表面设计

通过调控表面亲疏水性可显著减少细菌黏附和蛋白质吸附（如改性聚氨酯使细菌存活率降至24-57%）。微纳结构设计则提供物理抗菌方案：一级结构（如激光处理PET）减少黏附，但二级结构（如聚丙烯的10 μm柱+2.2 μm针突）通过多重形貌特征进一步抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌黏附达82-86%。

仿生设计（如荷叶、蝉翼、鲨鱼皮的微纳结构）赋予表面超疏水、自清洁和长效抗菌功能，避免细菌耐药性产生。这类结构在复杂生物环境中仍能维持性能，为开发可持续抗菌材料提供方向。

5. 结论

抗菌材料发展聚焦水凝胶的功能可调性和传统聚合物的表面工程。未来重点包括：开发生物相容性材料、多功能集成（如抗菌-抗炎结合）、AI优化结构设计、生物内环境响应系统以及长效活性维持策略。