抗菌纳米氧化锌涂层在细胞培养皿表面的应用：一种替代抗生素并减少塑料污染的光催化策略

本综述推荐了一种基于原子层沉积（ALD）技术的光催化抗菌纳米氧化锌（ZnO）涂层，该涂层在细胞培养皿表面展现出卓越的抗菌活性（30分钟内对细菌致死率达98.3%）和优异的生物相容性。研究证实，ZnO纳米涂层在可见光（λ = 336 nm）下通过产生活性氧（ROS）和释放Zn2+离子实现高效杀菌，同时支持HeLa细胞连续三代正常增殖（p > 0.05）且细胞骨架结构完整。该技术不仅显著降低了细胞培养中抗生素依赖和微生物污染风险，还可重复使用5次以上，减少60%塑料废弃物，为可持续生物医学研究提供了创新解决方案。

　　

引言

细胞培养作为生物医学研究的核心技术，长期面临微生物污染和抗生素滥用带来的数据可靠性挑战。传统培养皿在使用后即被丢弃，每年产生大量不可降解的塑料废弃物，对生态环境构成严重威胁。研究表明，常用抗生素青霉素-链霉素会显著影响细胞基因表达调控，而微生物污染更导致研究数据不可重复。为解决这一难题，研究者开始探索兼具抗菌性和生物相容性的表面改性技术，其中金属纳米材料因其独特性能受到广泛关注。

实验方法

2.1 氧化锌薄膜制备

采用原子层沉积（ALD）技术在氧化铟锡（ITO）玻璃表面精准合成ZnO纳米涂层。基底经过超纯水和乙醇分级清洗后，在150°C反应温度下，通过二乙基锌（DEZ）和水蒸气的循环暴露（0.5s DEZ/10s purge/0.1s H₂O/60s purge）实现纳米级厚度控制。

2.2 薄膜表征

通过扫描电子显微镜（SEM）观察到表面均匀分布的纳米颗粒结构，X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）证实材料主要含Zn和O元素（Zn:O=1:1.05）。原子力显微镜（AFM）显示薄膜表面光滑且颗粒分布均匀。光催化性能测试采用甲基蓝（MB）降解实验，在氙灯（200-800nm）照射下，ZnO组在664nm波长处的吸光度下降速率显著高于对照组。

2.3 抗菌性能评估

选用大肠杆菌DH5α和MG1655菌株进行菌落形成实验和活死染色流式检测。细菌在ZnO涂层表面经336nm光照30分钟后，通过PI染色和流式细胞术检测显示死亡率分别达22.5%和30.6%，菌落形成数量显著减少。

2.4 生物相容性分析

采用第三代HeLa细胞进行EdU增殖实验，免疫荧光染色（IF）观察细胞骨架蛋白β-actin和核染色DAPI，Western Blot和RT-qPCR检测关键生物标志物表达。使用ICP-OES/MS仪器定量检测培养基上清和细胞内的Zn离子浓度。

结果与讨论

3.1 表面形貌特征

SEM图像显示ALD法制备的ZnO-ITO表面呈现光滑圆形纳米颗粒结构，与 hydrothermal法产生的纳米棒/纳米管结构形成鲜明对比。XPS谱中Zn2P_3/2结合能为1021.68eV，Zn2P_1/2为1044.78eV，符合标准ZnO特征峰。AFM三维形貌图证实颗粒高度差异较小，表面粗糙度适宜细胞生长。

3.2 光学特性

紫外吸收光谱在336nm处出现特征吸收峰，表明材料具有可见光响应能力。MB降解实验证明ZnO组在2小时内光降解效率显著高于对照组，证实其优异的光催化活性。

3.3 抗菌机制

菌落形成实验显示光照条件下ZnO涂层表面细菌存活率极低。流式细胞术活死染色结果表明，ZnO纳米膜通过光催化产生ROS和缓慢释放Zn²⁺离子（上清液峰值浓度36.243μM/L）双重机制破坏细菌膜结构，实现98.3%的杀菌率。

3.4 生物相容性验证

EdU检测显示细胞增殖率无显著差异（p > 0.05）。免疫荧光图像显示细胞形态完整，骨架蛋白分布正常。Western Blot和RT-qPCR结果表明β-actin、β-tubulin、ERK1、TGFβ、calponin 1和integrin等关键蛋白的基因和蛋白表达水平均未发生显著改变。Zn离子在细胞内的浓度仅为0.162μM/L，远低于安全阈值。

应用前景与挑战

ZnO纳米涂层在五次重复使用后仍保持抗菌活性和生物相容性，可减少60%塑料耗材。ITO基材的高成本是未来产业化面临的主要挑战，需开发替代性导电基底。该技术有望发展为集成微生物实时监测功能的智能培养系统，为细胞培养提供无菌、低碳、经济的新型平台。

结论

本研究成功开发出基于ALD技术的ZnO纳米涂层培养皿，实现了光催化抗菌、细胞相容性和环境可持续性的三重突破。该技术为替代抗生素防控细胞污染提供了创新解决方案，同时通过器材重复使用显著减少塑料废弃物，符合绿色生物制造的发展方向。未来需进一步优化制备工艺、降低成本，推动其向产业化应用转化。