铜包覆碳渗透碳纳米管表面高效抑制金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌生物膜形成

本研究创新性地将铜涂层与碳渗透碳纳米管（CICNT）纳米结构结合，开发出具有协同抗菌效应的Cu-CICNT表面。实验证实其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）生物膜形成具有6-log级（99.9999%）抑制效果，其机制主要依赖接触杀灭而非铜离子释放，为骨科植入物抗感染涂层设计提供了新思路。

　　

ABSTRACT

骨科植入物相关感染主要由金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）引发，其生物膜形成能力导致治疗困难。研究通过结合铜涂层与碳渗透碳纳米管（CICNT）的纳米结构，开发出Cu-CICNT表面。实验显示，该表面在12小时内对金黄色葡萄球菌JE2株（MRSA）实现6.3-log（99.9999%）的细菌减少，对铜绿假单胞菌15442株的抑制效果达6.9-log。流式细胞术证实Cu-CICNT通过接触杀灭引发细菌膜损伤和细胞碎片化，而铜离子释放浓度（6.2 ppm）远低于最小抑菌浓度（MIC），表明协同效应主要源于纳米结构与铜的物理化学联合作用。

INTRODUCTION

随着髋/膝关节置换术年超百万例，植入物感染率（0.5%-2%）成为严峻挑战。金黄色葡萄球菌占感染病例主导地位，其与铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的生物膜特性加剧抗生素耐药性。自然界中纳米结构（如昆虫翅膀）的抗菌特性启发研究者开发合成纳米材料。前期工作表明，纯CICNT表面可减少60%-70%细菌黏附，而铜自古已知具有抗菌活性，其机制涉及膜损伤、活性氧生成和蛋白质错误折叠。本研究通过5 nm铜薄膜与CICNT复合，探索协同抗菌效应。

RESULTS

纳米结构与铜涂层的协同效应
扫描电镜（SEM）显示5 nm铜涂层未改变CICNT的纳米纤维结构。与平坦铜钛（Cu-Ti）相比，Cu-CICNT在6小时即实现3-log（99.9%）金黄色葡萄球菌减少，12小时达6.3-log。对甲氧西林敏感菌株SH1000（MSSA）的抑制效果为4.6-log，表明对MRSA/MSSA均有效。

流式细胞术验证接触杀灭机制
RedoxSensor Green/PI双染色显示，Cu-CICNT表面细菌死亡率达46.2%（钛表面仅12.4%），且50%事件为亚细胞碎片。正向散射（FSC）分析证实Cu-CICNT组细菌完整性显著降低，支持细菌裂解假说。

铜离子释放的次要作用
电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测得Cu-CICNT释放铜离子浓度为6.2 ppm（0.098 mM），虽高于Cu-Ti（5.65 ppm），但补充同等浓度CuCl₂的培养基仅使钛表面细菌减少25%，而CICNT无显著变化，提示碳结构可能螯合铜离子。

DISCUSSION

Cu-CICNT的抗菌效能远超文献报道的微米级铜涂层（如20-40 μm铜钢表面的4-log抑制），其薄层设计避免了铜对真核细胞的潜在毒性。与电抛光铜表面相比，纳米结构通过机械应力增强铜的接触杀灭效率，可能通过破坏肽聚糖交联和脂膜完整性实现。未来研究需明确铜氧化态与纳米拓扑的协同机制，但现有数据已为抗感染植入物涂层开发提供重要方向。

MATERIALS AND METHODS

样本制备
Ti6Al4V合金表面通过电子束沉积200 nm Al₂O₃阻隔层和6 nm铁催化剂，经管式炉生长直径150 nm的CICNT，最后热蒸发镀5 nm铜。

菌株与培养
使用MRSA株JE2、MSSA株SH1000和铜绿假单胞菌15442，于含2%胎牛血清的RPMI 1640（pH 7.3）中培养。

检测技术
菌落计数（CFU）限值为50/样本，ICP-MS分析铜离子浓度，流式细胞术采用计数珠标准化体积，FSC/SSC双参数识别细菌碎片。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献支持结论）