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本综述聚焦抗生素耐药背景下，纳米结构表面的抗菌机制。分析细菌细胞膜特性、黏附机制及能量模型，探讨纳米结构通过机械接触引发的细胞破裂、蠕变失效、剪切破坏等，还涉及活性氧（ROS）诱导的程序性细胞死亡（PCD）等，为抗菌表面设计提供理论依据。
抗生素耐药性已成为全球重大健康威胁，过度使用抗生素及新抗生素研发受限加剧了这一危机，尤其是医疗植入物的细菌感染问题日益突出。防止植入物表面生物膜形成，需设计能杀死细菌或抑制其生长的特殊表面特性。受蝉翼等自然纳米结构抗菌特性启发，人工纳米结构的杀菌机制虽看似简单（纳米特征刺穿细菌细胞导致死亡），但实际更为复杂，需深入研究。
细菌细胞膜的组成和机械特性
细菌细胞由细胞质、细胞膜、细胞壁等组成。革兰氏阴性菌细胞壁较薄（1-7 nm），革兰氏阳性菌细胞壁较厚（20-100 nm）。革兰氏阴性菌外膜由磷脂、脂多糖（LPS）和外膜蛋白（OMP）组成，带有负电荷。细菌细胞壁具有弹性和柔韧性，大肠杆菌（E. coli）细胞壁弹性可从松弛状态增加约 300%。细胞壁在维持细胞机械完整性、抵抗膨压等机械应力方面至关重要，外膜损伤或与细胞壁耦合受损会导致细胞变形和存活率下降。
细菌黏附表面的机制
细菌倾向于附着表面形成生物膜。黏附过程包括向表面移动、接近表面时的相互作用等步骤。在液体环境中，运动细菌借助附属物和感官机制主动移动，非运动细菌依靠布朗运动和原子间力接近表面。接近表面时，黏附主要受扩展的 Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论中的力支配，包括长程范德华力、静电斥力和酸碱相互作用力等。细菌最初可逆地附着在次级能量最小化状态，随后通过附属物克服能量势垒，过渡到初级能量最小化位置，并通过分泌胞外聚合物（EPS）等增强附着不可逆性。细菌还具有机械感知能力，可感知接触力，强化表面黏附。
天然机械杀菌表面的启示
蝉翼、壁虎皮肤等天然纳米结构具有抗菌特性。蝉翼纳米图案可穿透细菌细胞表面导致死亡，其杀菌效果主要由纳米图案的拓扑特性驱动，而非表面化学性质。不同蝉翼纳米柱直径和间距等拓扑结构的微小变化会显著影响杀菌效果，较大直径和间距的纳米柱杀菌效果较差。壁虎皮肤纳米结构间距为蝉翼的两倍，也能通过类似机制消灭细菌。天然杀菌纳米表面启发人工纳米表面的开发，多种材料（如黑硅、钛、二氧化钛（TiO?）等）制成的人工纳米表面已展现杀菌特性。
纳米结构表面几何参数的影响
纳米结构表面的几何特征（如高度、间距、尖端直径、纵横比、拓扑结构等）对杀菌效果有重要影响。以纳米柱表面为例，间距增大和直径减小会导致杀菌效率下降，这与细菌膜上的应力和变形减少有关。有限元研究表明，膜尖端接触区域应力最高，尖端直径减小和尖锐拓扑结构可增加膜应力。尖锐尖端的纳米柱可能通过穿透导致细菌死亡，而钝端可能因变形破裂致死。纳米柱的偏转（受高度、纵横比、弯曲刚度等因素影响）也可增强杀菌效果。
表面润湿性的影响
表面润湿性与细菌死亡的关系尚无定论。疏水表面可能通过有效去除界面水促进细菌附着，增强表面黏附力，也可能因减少保水阻碍细菌接近表面。有研究表明，疏水表面细菌附着量高，死亡百分比也高，但也有研究指出，纳米结构的杀菌效果可能与液 - 气界面或表面张力提供的外力有关，正常附着力可能不足，且应力大小影响细菌死亡。
基于能量模型的机械杀菌效应解释
多种能量模型被提出解释杀菌机制。生物物理模型强调细胞破裂主要发生在悬浮区域，因细胞膜拉伸所致，无需柱子穿透，但缺乏足够证据。模型从宏观角度考虑黏附的能量获取与拉伸 / 压缩的能量损失间的权衡，以达到能量最小化状态。有的模型引入 “拉伸度” 参数定量测量能量，发现蝉翼纳米结构可使膜拉伸度比平面增加 31%，增强杀菌效果。还有模型认为界面能量梯度是驱动细菌进入纳米结构内部、对细胞壁施加压力的动力，压力超过临界弹性应力会导致细胞壁蠕变变形、穿透和细胞死亡。原子力显微镜（AFM）实验显示，破裂细菌细胞需超过 2×10?? N 的力，变形可能导致蠕变破裂。
表面黏附与运动性
细菌胞外聚合物（EPS）层可增强表面黏附，提高纳米图案的杀菌效果，但也有研究表明杀菌效果与 EPS 无关，因细菌死亡可在短时间内发生，不足分泌 EPS。疏水纳米柱表面细菌黏附量高于亲水表面，但死细胞百分比与表面润湿性无关。细菌运动性对黏附和死亡有影响，运动细菌更易感知和到达表面，增加黏附量，促进死亡，但非运动细菌长时间后也会被纳米图案杀死，可能与重力等因素有关，但重力影响被认为可忽略。表面蛋白在杀菌机制中也起重要作用，去除表面蛋白的细菌与纳米结构接触时活力较低。
细菌的程序性细胞死亡（PCD）
程序性细胞死亡是由基因控制的细胞自杀过程，可因多种因素触发，包括活性氧（ROS）诱导的凋亡样死亡和自溶等。ROS 包括羟基自由基、过氧化氢、超氧阴离子等，其积累超过临界阈值可导致细胞死亡，即使初始应激源去除后仍可能发生。研究表明，纳米结构的机械应力可诱导 ROS 产生，引发 PCD。例如，革兰氏阴性菌铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）在黑硅纳米结构表面可发生 ROS 诱导的凋亡样 PCD，且机械应力不仅导致黏附细胞死亡，还可使亚致死物理损伤细胞在转移至非应激环境后死亡。此外，自溶作为 PCD 的一种，由自溶素（如溶菌转糖基酶）引发，研究发现缺乏自溶酶的大肠杆菌（E. coli）菌株在纳米结构表面死亡较少，添加自溶抑制剂可阻止细胞死亡，表明自溶机制在纳米结构诱导的细胞死亡中起作用。
结论与未来方向
纳米结构表面细菌死亡机制复杂，主要分为两类：一是应力诱导的细胞膜机械失效（如穿透、破裂、蠕变失效、剪切破坏等）；二是即使应力不足以导致机械失效，也可能引发程序性细胞死亡（如 ROS 诱导的死亡、自溶等）。未来，机械杀菌效应因依赖表面拓扑、无需抗生素等优势，若能将纳米特征扩展至微米级，便于集成到各类组件。需深入研究拓扑结构如何触发 PCD（如自溶、ROS 诱导的 PCD），以开发高效、自放大、自驱动的杀菌表面。
