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在医疗领域，植入式医疗器械常受生物膜相关感染困扰，传统抗感染方法存在诱导耐药性等问题。研究人员制备可编程几何形状的硅纳米线（VA-SiNWs）阵列开展研究，发现特定几何形状的纳米线可杀菌并防生物膜形成，且生物相容性良好，为解决感染问题提供新思路。
在医疗技术飞速发展的当下，植入式医疗器械如中央导管、心脏起搏器等，为众多患者带来了新的希望。然而，一个棘手的问题却如影随形 —— 生物膜相关的微生物感染。这些感染就像隐藏在暗处的 “敌人”，常常悄无声息地侵袭医疗器械表面，引发难以治愈的疾病，同时还加剧了抗菌药物耐药性（AMR）这一全球性难题。在医院环境中，传统抗生素面对这些感染往往束手无策，很多时候，移除感染的器械成了唯一的选择，但这对患者来说无疑是雪上加霜。因此，寻找一种有效的方法来预防生物膜的形成，成为了医学领域亟待解决的重要课题。
为了攻克这一难题，来自国外的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在纳米技术上，致力于制备具有可编程几何形状的纳米线阵列，期望能找到对抗生物膜的有效策略。研究结果令人振奋，他们成功制备出的特定几何形状的硅纳米线（VA-SiNWs）阵列，展现出了强大的杀菌能力，能够有效阻止生物膜在生物材料表面的形成。不仅如此，这些纳米线对临床分离的病原菌同样有效，并且对人体细胞的毒性极低，具有良好的生物相容性。这一研究成果发表在《Biofilm》杂志上，为解决植入式医疗器械感染问题提供了全新的方向和可能。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过对流组装沉积、氧等离子体处理和深反应离子蚀刻（DRIE）等技术，制备出具有不同几何特征的 VA-SiNWs 阵列。对于微生物研究，采用改良的微井生物膜测定法和滤盘生物膜测定法，来评估纳米线阵列的抗感染效果。还运用扫描电子显微镜（SEM）对微生物与纳米线的相互作用进行定性分析，通过重量测量法确定单个细菌细胞的重量，以此来探究纳米线杀菌的机制。
下面让我们详细了解一下研究的具体结果：
- VA-SiNWs 的制备与结构：研究人员精心制备了 7 种不同几何参数（高度、间距和尖端直径）的 VA-SiNWs 阵列。这些纳米线阵列呈现出高度有序的结构，从基底伸出刚性纳米针，均匀地覆盖整个表面。相比之下，实验室制备的黑硅纳米线则随机分布，缺乏固定的几何形状。
- 预防生物膜生长的效果：利用定制的微井板，研究人员对不同几何特征的 SiNW 阵列的抗生物膜活性进行了评估。结果显示，对于金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）ATCC 25923，几何形状 1、2 和 5 能有效抑制生物膜形成，其中几何形状 1 的效果最为显著；对于大肠杆菌（Escherichia coli）ATCC 25922，几何形状 1、2、4、5、6 和 7 均能有效减少生物膜形成，几何形状 7 的表现最为突出。而黑硅对大肠杆菌的抗生物膜活性并不明显。
- 关键参数的影响：进一步研究发现，尖端直径和间距是影响 SiNW 阵列抗感染能力的关键参数。对于金黄色葡萄球菌，随着尖端直径增大，生物膜形成逐渐增加；增大间距会使生物膜形成显著增多。对于大肠杆菌，尖端直径为 50nm 或 100nm 的 SiNWs 具有明显的抗生物膜活性，增大间距则会显著减少生物膜形成。而纳米线高度的变化对两种细菌的生物膜生长均无显著影响。通过 SEM 观察发现，SiNWs 通过诱导细菌裂解发挥抗生物膜作用，如几何形状 1 的 SiNWs 能对金黄色葡萄球菌细胞施加物理力，导致细胞对侧表面形成 “孔洞”。
- 压力的协同作用：研究人员通过计算不同几何形状的 SiNWs 对细菌细胞膜施加的压力，深入探究了其杀菌机制。结果表明，尖端直径和间距共同决定了纳米线对细菌细胞膜的压力。例如，对金黄色葡萄球菌 ATCC 25923，几何形状 1 的纳米线施加的压力为 2.79Pa；对大肠杆菌 ATCC 25922，几何形状 7 的纳米线施加的压力为 8.86Pa，这些压力足以诱导细胞裂解。
- 对临床分离株的活性：研究人员还评估了 SiNWs 对引起器械相关感染的临床分离株的抗感染活性。结果显示，表现最佳的 SiNW 阵列（几何形状 1 和 7）能有效阻止所有临床分离株形成生物膜。在长期暴露实验中，几何形状 1 在 72 小时内仍能保持良好的抗感染能力。
- 生物相容性：在生物相容性方面，所有制备的 SiNWs 对人类红细胞（RBC）的溶血率均低于 1%，对人类成纤维细胞的毒性也很低，其生物相容性与常用于植入式医疗器械的聚二甲基硅氧烷（PDMS）相似。
综合研究结果和讨论部分，这项研究具有重要的意义。研究人员成功制备了具有可编程几何形状的 VA-SiNWs 阵列，并详细评估了其预防常见细菌病原体生物膜形成的效果。从机制上揭示了单个几何参数通过影响纳米结构对细菌细胞膜的压力，进而影响 SiNWs 的抗感染能力。研究强调了在设计抗感染纳米结构时，尖端直径和间距这两个关键几何参数的重要性。尽管该研究存在一定的局限性，如实验菌株数量有限、未在更复杂的感染微环境中研究等，但为后续进一步研究和开发新型抗感染纳米材料奠定了坚实的基础，有望为解决植入式医疗器械感染问题带来新的突破。
