3D打印PVDF-石墨烯复合材料的拓扑构型对抗菌效力的影响机制研究

推荐：本研究针对医疗环境中细菌感染防控难题，通过熔融挤出法制备PVDF-石墨烯纳米片(GnP)复合材料，采用熔丝制造(FFF)技术探究打印构型对表面拓扑结构的影响。结果显示，表面暴露GnP的样品可使大肠杆菌(E. coli)和金黄色葡萄球菌(S. aureus)附着量分别降低21%和81%，为开发无需抗生素的抗菌医疗器械提供了新思路。

　　

抗生素耐药性已成为全球医疗健康的重大威胁，医院获得性感染(HAI)每年在欧盟/欧洲经济区造成9万人死亡。传统抗生素涂层医疗器械可能加剧耐药性，而石墨烯因其独特的物理切割和化学氧化应激双重抗菌机制备受关注。然而，如何通过工业化生产方法将石墨烯的抗菌特性有效转移至聚合物基体仍是挑战。瑞典乌普萨拉大学等机构的研究团队在《Polymer Testing》发表论文，首次系统研究了熔融挤出法制备的PVDF-石墨烯纳米片(GnP)复合材料在3D打印过程中的拓扑构型对抗菌效力的影响。

研究采用双螺杆热复合挤出开发含6.5wt% GnP的PVDF复合线材，通过熔丝制造(FFF)技术打印平面样品和peg结构。关键实验技术包括：热重分析(TGA)表征材料热稳定性；扫描电镜(SEM)观察表面形貌；接触角测量评估疏水性；针对E. coli CFT073、S. aureus ATCC 6538和P. aeruginosa PAO1菌株开展表面接触试验（1h/4h）和48小时生物膜形成实验；采用菌落形成单位(CFU)计数定量抗菌效果。

【热表征与打印性能】
TGA显示GnP使PVDF降解温度从363±2.7°C显著提升至371±5.5°C，归因于石墨烯的热屏蔽效应。复合材料的打印速度可从5mm/s提升至30mm/s，且打印板温度从110°C降至65°C，证明GnP改善了加工性能。

【表面接触试验】
在1小时暴露中，GnP暴露表面的平面样品对E. coli和S. aureus分别显示21%和81%的附着抑制，但对P. aeruginosa无显著效果。SEM显示GnP锋利边缘可物理损伤细菌，但团聚现象导致抗菌效果区域不均。

【生物膜形成】
peg结构的48小时生物膜实验出现反常结果：复合材料的E. coli生物膜量反而高于纯PVDF。SEM揭示打印层间形成的"聚合物表皮"覆盖了GnP边缘，使表面粗糙度更利于细菌定植而非抗菌。

【疏水性与长期暴露】
接触角测试显示PVDF本身具有高疏水性（79.1±3.2°），GnP未进一步改变该特性。在4小时干燥条件下，S. aureus仍保持存活但抗菌差异消失，而P. aeruginosa完全失活。

该研究创新性地揭示3D打印构型通过影响GnP暴露程度决定抗菌效果：平面打印可暴露GnP边缘发挥物理杀伤作用，而多层结构因聚合物表皮形成反而促进生物膜生长。尽管6.5wt%的GnP负载量较低且存在团聚，复合材料仍展现出显著的即时抗菌效果，特别是对S. aureus的抑制率达81%。研究为开发抗感染医疗器械提供了重要指导：需通过后处理（如蚀刻）暴露3D打印件中的GnP边缘，或优化打印路径规划以最大化抗菌表面占比。这项工作首次系统论证了工业级热复合工艺制备的抗菌石墨烯复合材料在增材制造中的应用潜力，为个性化医疗器件的抗感染设计开辟了新途径。