综述：激光表面织构化对细菌粘附的根除和生物膜抑制

这篇综述系统探讨了激光表面织构化（LST）技术通过调控材料表面微纳米形貌、润湿性和化学特性，实现抗菌（AMR）和抗生物膜形成的机制。重点分析了针对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）的差异化作用模式，揭示了拓扑结构（如LIPSS/DLIP）、超疏水（Cassie-Baxter态）和金属离子释放（如Cu2+/TiO2）等多重协同效应，为医疗植入物和海洋工业的抗菌表面设计提供理论依据。

　　

摘要

微生物对抗生素的耐药性（AMR）问题日益严峻，其核心在于细菌通过生物膜形成增强生存能力。生物膜是由微生物群落嵌入胞外聚合物（EPS）构成的复杂结构，通过群体感应（quorum sensing）协调行为，显著提升对抗外界威胁的能力。传统抗菌剂（如银离子涂层、光催化材料）存在毒性、耐久性等局限，而激光表面织构化（LST）通过微纳米尺度表面改性，展现出可持续的抗菌潜力。

1. 引言

细菌耐药性导致慢性感染难以根治，世界卫生组织（WHO）将其列为全球十大公共卫生威胁之一。激光表面织构化通过模拟自然界抗菌表面（如鲨鱼皮肤、蝉翼纳米结构），在金属、陶瓷和聚合物等材料上构建精确的拓扑特征，实现两种抗菌机制：杀菌型（通过机械应力破坏细菌膜）和抗粘附型（抑制生物膜形成）。

2. 激光织构化表面的杀菌与抗粘附机制

杀菌行为依赖于表面拓扑诱导的机械应力：当细菌试图附着时，膜因拉伸超过阈值而破裂。例如，钛表面激光诱导的周期性结构（LIPSS）通过400-500 nm沟槽深度使大肠杆菌死亡率提升56%。氧化应激（如Fe₃O₄催化Fenton反应产生活性氧ROS）和超亲水性（接触角<90°）进一步协同增强杀菌效果。

抗粘附行为则通过超疏水结构（接触角>150°）减少细菌锚定点。铝合金7075的飞秒激光微织构使硅藻附着面积降低78%，归因于多级空穴阻隔作用。表面化学改性（如TiO₂光催化层）和低表面能特性亦显著抑制生物膜发展。

3. 材料与方法

材料选择：钛合金（生物相容性）、不锈钢（低成本）、铜（天然抗菌性）和聚合物（如PDMS）是主要基材。

激光技术：

• LIPSS：飞秒激光产生亚波长周期结构（400-900 nm），分为低空间频率（LSFL）和高空间频率（HSFL）两类。
• DLIP：多光束干涉制备规则微米图案（如锥体/孔阵），周期可调至衍射极限（λ/2）。
• DLW：直接激光写入构建定制化微沟槽/凹坑，适用于复杂三维结构。

抗菌测试：菌落计数（CFU/mL）、荧光显微术和表面覆盖率分析是评估关键。

4. 细菌粘附抑制与生物膜阻断

大肠杆菌：

• 钛表面LIPSS沟槽深度与杀菌率正相关（最深沟槽达56%死亡率）。
• 不锈钢超疏水微柱阵列通过Cassie态气隙实现99.8%粘附抑制。

金黄色葡萄球菌：

• 铜表面激光织构化后120分钟内完全灭菌，依赖Cu₂O形成和离子释放。
• 氧化锆陶瓷的微米级三角图案通过58%抗菌率验证拓扑与化学协同效应。

其他微生物：

• 海洋硅藻在铝合星星图案表面附着减少91%，归因于13.45 μm表面粗糙度。
• 钛合金超疏水线间距100 μm时，铜绿假单胞菌粘附降低10⁴倍。

5. 结论

激光表面织构化的抗菌效果具有菌种特异性：

• 大肠杆菌对拓扑敏感（如纳米沟槽的机械损伤）；
• 金黄色葡萄球菌更易受化学改性（如氧化物毒性）影响；
• 铜绿假单胞菌则需结合超疏水与离子释放（如Cu²⁺）双重策略。未来研究需针对特定应用场景优化多机制协同设计。