飞秒激光干涉图案化技术增强锡青铜表面抗菌性能：脉冲能量对表面形貌及大肠杆菌杀灭效果的影响

为解决抗生素耐药性背景下微生物传播问题，研究人员采用飞秒激光干涉图案化技术(USP-DLIP)在含6%锡的青铜表面构建3 μm周期性线状结构，探究脉冲能量(Fpulse )对表面形貌及抗菌性能的影响。研究发现，激光处理后的表面经5%柠檬酸蚀刻可显著提升大肠杆菌(E. coli)杀灭率，达纯铜水平。该研究为公共高接触表面抗菌设计提供了新策略。

　　

抗生素耐药性的全球蔓延迫使人们寻找替代性抗菌策略，其中铜及其合金因其固有的抗菌特性备受关注。然而，纯铜机械性能不足，而传统合金化又可能削弱其抗菌效果。如何在保持材料实用性的同时提升抗菌效率，成为公共卫生领域的关键挑战。德国航空航天中心等机构的研究团队在《Materials Today Advances》发表论文，创新性地将飞秒激光干涉图案化技术(USP-DLIP)应用于含6%锡的青铜表面，通过精确调控激光参数构建微米级周期性结构，显著提升了材料对大肠杆菌的杀灭能力。

研究采用飞秒激光双光束干涉系统(波长800 nm，脉宽150 fs)在青铜表面制备3 μm周期线状结构，通过改变脉冲能量(0.16-1.09 J/cm²
)调控形貌特征。结合扫描电镜(SEM)、共聚焦显微镜(CLSM)、X射线衍射(GIXRD)和拉曼光谱分析表面特性，并通过接触角测试和细菌存活率实验评估功能性能。

2.1 线状结构的形貌特征
SEM显示所有样品均成功形成3 μm周期结构，但脉冲能量显著影响形貌细节。低能量(0.16 J/cm²
)产生窄谷(约1 μm)与平台状峰，伴随575 nm周期的激光诱导周期性表面结构(LIPSS)。随着能量提升至1.09 J/cm²
，谷宽增加并出现片状氧化结构，表明从溅射到相爆炸的烧蚀机制转变。CLSM测量显示高能量样品结构深度达1.2±0.2 μm，较浅结构(0.8±0.2 μm)更具立体特征。

2.2 表面表征
GIXRD分析揭示激光处理后(111)和(200)峰位偏移0.2°，表明表面铜含量增加。拉曼光谱在540 cm^-1
和623 cm^-1
处检测到SnO₂
振动峰，证实纳米级锡氧化物形成。经5%柠檬酸蚀刻后，铜缺陷相关峰强度减半，锡氧化物特征完全消失，说明蚀刻可选择性去除表面氧化层。

2.3 润湿行为
激光处理使表面接触角在三周内从亲水(初始60°)增至近超疏水(150°)，而蚀刻样品因去除污染物保持较低接触角(100-110°)。这种差异归因于表面氧化物和有机物的动态吸附过程。

2.4 接触杀灭效果
蚀刻样品表现出最显著的抗菌性能，120分钟接触后大肠杆菌杀灭率达99%，与纯铜相当且显著优于抛光青铜。SEM显示细菌与结构表面发生明显相互作用，结构深度与细菌尺寸(1-3 μm)的匹配度是提升接触效率的关键。计算表明激光处理使接触面积增加1.8-2.5倍，直接促进杀菌效果。

这项研究证实USP-DLIP技术可通过双重机制增强青铜抗菌性：一是构建与细菌尺寸匹配的微结构增大接触面积；二是诱导表面铜富集。特别值得注意的是，简单的后处理蚀刻可去除不利的氧化层，使抗菌性能提升一个数量级。该成果为医院、公共交通等高接触场景的抗菌表面设计提供了可工业化实施的解决方案，同时为多元合金体系的激光处理参数优化建立了理论框架。未来研究可进一步探索不同菌种对表面结构的响应差异，以及长期使用中的耐久性表现。