细菌在糖水凝胶上的黏附：糖链与水凝胶硬度的影响

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Bacterial Adhesion on Glyco-Hydrogels: Impact of Glycan and Hydrogel Stiffness

细菌粘附由糖类-细菌相互作用主导，基底刚度影响减弱，不匹配组合无粘附。

　　细菌在材料表面的附着是一个复杂的过程，受到多种因素的影响。其中，糖类与细菌之间的相互作用以及材料的刚度被认为是最重要的两个因素。为了深入探讨这两个因素在细菌附着中的相对作用，本研究选择了一种典型的糖类——海藻糖（trehalose）与结核分枝杆菌（Mycobacterium smegmatis, M. smegmatis）作为模型系统，制备了不同刚度的海藻糖功能化聚丙烯酰胺（Tre-PAAm）水凝胶，并研究了海藻糖含量和水凝胶刚度如何影响M. smegmatis在Tre-PAAm水凝胶上的附着能力。研究结果表明，糖类与细菌之间的特异性相互作用在细菌附着过程中起主导作用，而水凝胶的刚度则起到辅助作用。

在自然界中，细菌与材料表面的相互作用通常涉及物理和化学过程的结合。物理因素如表面电荷、粗糙度、亲水性等会影响细菌的初始接触，而生物化学因素则决定了细菌附着的特异性与强度。例如，大肠杆菌（Escherichia coli, E. coli）在其菌毛的顶端表达FimH粘附蛋白，该蛋白能够特异性地结合到半乳糖残基上。这种特异性识别机制是细菌在特定环境中生存和传播的重要手段，也提示了材料表面设计中引入特定糖类可能对细菌附着行为产生显著影响。

除了物理特性，水凝胶的刚度也被认为是影响细菌附着的重要因素。一些研究表明，细菌在不同刚度的材料表面附着行为存在差异。例如，Van Vliet等人发现，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis）在不同刚度的多层材料表面附着能力随着材料刚度的增加而增强，这种趋势在材料表面粗糙度、能量密度或电荷密度变化的情况下依然存在。同样，Schiffman等人也观察到，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和琼脂水凝胶上的附着能力随着水凝胶刚度的增加而增强，这种趋势与水凝胶类型或培养时间无关。然而，也有研究发现，细菌的附着行为可能与材料的刚度无关。例如，Ren等人发现，大肠杆菌RP437和铜绿假单胞菌PAO1在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的附着能力与材料刚度呈负相关，即在较软的PDMS上附着能力更强。Hwang等人也观察到，口腔细菌在软质PDMS上的附着能力明显高于硬质PDMS。这些研究结果表明，水凝胶的刚度对细菌附着的影响具有一定的系统性，但这种影响的强度可能因细菌种类和材料类型的不同而有所变化。

值得注意的是，Allian等人发现，大肠杆菌在PDMS上的附着行为与其表面刚度无关，这可能是因为PDMS表面的微观结构（如皱纹）对细菌附着起到了更大的作用。这一发现进一步强调了材料表面结构对细菌附着行为的重要性，也提示我们不能仅凭材料的刚度来预测细菌的附着能力，而需要综合考虑多种因素的影响。

基于这些研究背景，本研究选择了聚丙烯酰胺（PAAm）作为基础材料，因为PAAm具有良好的生物相容性、可调的刚度以及对细菌的低亲和性。PAAm的结构特性使其成为一种理想的材料，能够通过调整丙烯酰胺与双丙烯酰胺的比例来控制水凝胶的刚度。此外，PAAm的柔性结构允许其表面接枝的糖类分子以动态的方式呈现，从而促进细菌与糖类之间的多价相互作用。为了进一步增强PAAm与M. smegmatis之间的特异性识别，我们引入了海藻糖作为功能化基团，制备了不同刚度的Tre-PAAm水凝胶，并通过实验评估了M. smegmatis在这些水凝胶上的附着能力。

实验结果表明，M. smegmatis在Tre-PAAm水凝胶上的附着能力与水凝胶的刚度存在一定的相关性。具体而言，在30%海藻糖单体负载的情况下，M. smegmatis在较软的Tre-PAAm水凝胶上附着更强，而在较硬的水凝胶上附着较弱。这一现象可能与海藻糖与M. smegmatis之间的特异性相互作用有关，即在较软的水凝胶中，海藻糖分子能够更有效地与细菌表面的受体结合，从而增强附着能力。然而，当海藻糖的含量降低至10%时，这种刚度依赖性显著减弱，表明糖类含量在调控细菌附着过程中起到了关键作用。此外，在不含海藻糖的PAAm水凝胶上，M. smegmatis几乎无法附着，进一步验证了糖类与细菌之间的特异性相互作用是附着的主要驱动力。

为了进一步探讨糖类与细菌之间的特异性相互作用是否在不同材料刚度下具有普遍性，我们还测试了非互补的糖类-细菌组合。例如，将E. coli附着在Tre-PAAm水凝胶上，或将M. smegmatis附着在以甘露糖（mannose）功能化的PAAm（Man-PAAm）水凝胶上。结果显示，无论水凝胶的刚度如何，这些非互补组合的细菌附着能力都显著降低，甚至接近于零。这表明，细菌与材料表面的附着行为不仅依赖于材料的刚度，还高度依赖于两者之间的生物化学兼容性。如果细菌表面的受体与材料表面的糖类分子不匹配，即使材料具有较高的刚度，也不会显著增强细菌的附着能力。

这一研究结果具有重要的理论和应用意义。从理论角度来看，它揭示了细菌附着过程中，生物化学识别机制可能在某些情况下比物理特性（如材料刚度）更具决定性作用。这与一些先前的研究结论相呼应，例如，某些细菌在特定材料上的附着行为与材料的刚度无关，而与材料表面的化学组成密切相关。从应用角度来看，这一发现为设计具有特定功能的材料提供了新的思路。例如，在生物传感、抗菌涂层或药物输送等领域，通过调控材料表面的糖类分子，可以实现对特定细菌的高效捕获或抑制其附着，从而提高材料的性能和应用价值。

此外，本研究还探讨了糖类分子在水凝胶中的动态呈现对细菌附着的影响。由于PAAm具有良好的柔性和可调的结构，其表面接枝的糖类分子可以以不同的构型和密度存在，从而影响细菌的识别和结合效率。在较高海藻糖含量的情况下，水凝胶表面的糖类分子可能形成更密集的结合位点，促进细菌与材料之间的多价相互作用，进而增强附着能力。而在较低海藻糖含量的情况下，这种多价结合效应可能被削弱，导致细菌附着能力下降，同时水凝胶刚度对附着行为的影响也相应减弱。

综上所述，本研究通过实验验证了糖类-细菌相互作用在细菌附着过程中的主导地位，同时揭示了水凝胶刚度在某些情况下可能对附着行为产生辅助作用。这些发现不仅有助于我们更全面地理解细菌与材料表面的相互作用机制，也为未来开发具有特定功能的生物材料提供了理论依据和技术支持。通过进一步优化糖类分子的类型、密度和水凝胶的刚度，有望实现对细菌附着行为的精确调控，从而满足不同应用场景的需求。