植入式和介入式医疗器械在其使用寿命期间极易受到细菌粘附、增殖和定植的影响，这可能导致严重感染并显著降低其临床性能[1], [2], [3]。事实上，与细菌粘附和生长相关的风险不仅限于医学领域，在包括海洋系统、食品包装、可穿戴设备和公共卫生应用在内的各种复杂环境中也普遍存在[4], [5], [6], [7]。传统的抗菌策略主要依赖抗生素、金属离子或有机杀菌剂。尽管这些方法可以有效抑制细菌生长，但通常存在细菌耐药性发展、长期抗菌效果有限以及潜在生物毒性等缺点[8], [9], [10]。
自然界中许多生物表面的内在抗菌特性引起了广泛关注。Ivanova等人[11]发现蝉翅上的纳米棒阵列不仅具有抗粘附特性，还能直接穿透细菌细胞膜，导致细菌失活和死亡。电子显微镜观察显示纳米棒对细菌膜结构造成了显著损伤，进一步的活力测定表明单个细菌细胞可在约3分钟内被杀死。此后，包括蜻蜓翅、壁虎皮肤和荷叶在内的多种自然表面[12], [13], [14]也被证明具有不同程度的抗菌活性，为仿生抗菌表面的开发提供了重要启发。与传统的化学抗菌策略不同，这些天然生物表面不通过释放化学毒素来消灭细菌，而是利用其独特的微/纳米尺度表面形貌对粘附细菌施加机械力，从而诱导细菌失活甚至膜破裂[15], [16], [17]。尽管纳米结构的杀菌机理尚未得到完全统一的解释，且具体机制可能因各种生物表面的结构特征而异，但这一现象通常被认为是一种典型的物理杀菌形式[18], [19], [20], [21]。
受天然纳米结构表面这些机械杀菌原理的启发，研究人员已能够利用反应离子刻蚀[22]、水热生长[23], [24]、光刻[25]、激光加工[26]和模板辅助方法[27], [28]等工艺构建人工微纳米结构，从而获得结构参数可调且功能可控的抗菌表面。例如，Linklater等人[29]利用改进的无掩模一步等离子体刻蚀技术在钛基板上制备了分级微/纳米结构。抗菌实验表明，纳米结构的杀菌性能随刻蚀时间延长而逐渐增强。当刻蚀时长达到30分钟时，表面对铜绿假单胞菌表现出最高的抗菌效率，杀菌率达87 ± 2%。
除了微/纳米结构的机械杀菌效应外，表面润湿性在细菌粘附行为中也起着重要作用[30], [31]。超亲水表面能够在界面形成稳定的水化层，从而减少细菌与材料表面的直接接触并减弱细菌的初始粘附[32], [33]。因此，将超亲水特性与微/纳米结构的物理抗菌效应相结合，被认为是增强表面抗菌性能的有效策略。
尽管物理抗菌表面为降低耐药风险提供了一种有前景的方法，但在杀菌过程中往往会积累大量死细菌残骸和细胞碎片。这些有机残留物容易粘附在纳米结构上并逐渐覆盖负责细菌失活的尖锐特征，最终导致抗菌性能随时间推移而下降[34], [35], [36]。这一现象表明，仅依赖接触杀菌机制的抗菌表面通常不足以保证长期稳定性能。因此，赋予此类表面再生或表面污染物去除能力对于其实际应用具有重要意义。
基于上述考虑，本研究提出了一种"物理杀菌活性–光催化污染物去除"双重协同抗菌策略，并在医用级Ti6Al4V（TC4）钛合金上构建了一种兼具高效抗菌性能和持续表面污染物去除能力的仿生微纳米分级界面。具体而言，通过激光加工结合水热合成，在钛合金表面制备了由微米级凸起和TiO2纳米针组成的微/纳米分级结构。系统研究了所得微/纳米分级结构的表面形貌、润湿性特征和物理抗菌性能。此外，利用TiO2的光催化活性，评估了该表面在紫外辐照下对死细菌残留物的光催化表面污染物去除能力。本研究有望为医用钛合金长寿命抗菌表面的设计与制造提供新的见解。
