微重力下聚两性电解质薄膜水凝胶预防Ralstonia pickettii粘附的评估

《RSC Advances》：Evaluation of polyampholyte thin film hydrogels for the prevention of Ralstonia pickettii adhesion in microgravityOpen Access

　　

人类健康受到饮用水中细菌的影响。本研究探讨了聚两性电解质涂层（polyampholyte coatings）及其对Ralstonia pickettii粘附的抵抗能力。两性离子交联剂（zwitterionic crosslinkers）显著增强了水凝胶涂层（hydrogel coatings）的抗粘附性能，其中Serine–Serine二甲基丙烯酸酯表现出最佳性能。这些涂层有望减少饮用水系统中的细菌粘附。

细菌粘附与生物膜形成对长期太空飞行构成重大威胁，尤其在紧急撤离和医疗支援不可及的火星任务背景下，加强微生物防护至关重要。本研究旨在评估聚两性电解质薄膜水凝胶在真实微重力环境中对Ralstonia pickettii粘附的抑制效果，并探索交联剂化学对涂层性能的影响。研究结果证明，Ser–Ser交联的TMA/CAA聚两性电解质涂层在微重力和地球重力条件下均表现出最优异的抗细菌粘附性能，为航天饮用水系统及地面水分配系统的防污表面设计提供了新方向。该工作发表于《RSC Advances》。

**研究背景与科学问题**
长时间载人航天任务中，细菌污染不仅可引发宇航员感染，还可导致机械故障。国际空间站（ISS）饮用水系统曾因生物污损发生故障，且早期调查从饮用水中分离出包括Ralstonia pickettii在内的多种细菌。R. pickettii能适应低营养环境，在微重力下对消毒剂和抗生素的抵抗力增强，并表现出更强的毒力相关基因表达。生物膜一旦形成，其胞外聚合物基质会阻碍杀菌剂渗透，使彻底清除极为困难。因此，在微生物初始粘附阶段加以预防是更有效的策略。非污染聚合物涂层，特别是两性离子材料，因其净中性电荷和强水合能力而被认为是最有前景的防污方案。本研究聚焦于由阳离子单体TMA和阴离子单体CAA等摩尔共聚而成的聚两性电解质薄膜水凝胶，并将其置于ISS真实微重力条件下进行验证，以弥补以往仅在地面或模拟微重力下研究的不足。

**研究设计与主要结论**
研究人员设计了一套自动化实验载荷，与地球同步运行。实验采用镜面抛光304不锈钢作为基底，通过硅烷偶联剂将TMA/CAA共聚物交联成薄膜水凝胶，比较了三种交联剂：非离子对照二乙二醇二甲基丙烯酸酯（DEGDMA）、两性离子交联剂羧基甜菜碱二甲基丙烯酸酯（CBMAX）和Ser–Ser二甲基丙烯酸酯。在ISS微重力条件下，冻干的R. pickettii由活塞自动释放至样品表面，暴露58天后评估粘附情况。结果显示，所有ISS样品的细菌表面覆盖率均显著低于地球对照，其中Ser–Ser交联涂层在两种重力条件下均具有最低的细菌粘附，且与其他样品差异显著。这表明Ser–Ser交联的聚两性电解质薄膜水凝胶具有出色的长期抗细菌粘附稳定性，适合用于太空及地面水系统。

**关键技术方法**
该研究采用的关键技术包括：通过硅烷表面偶联剂将TMA/CAA共聚物固定于304不锈钢基片，利用旋涂法制备薄膜水凝胶涂层；采用三种不同化学结构的交联剂调控网络性质；设计可远程启动的密封实验舱，在微重力下释放冻干细菌，避免预接触；实验结束后用BacLight红荧光染色，结合共聚焦显微镜成像和ImageJ图像分析定量表面覆盖率。整个实验在地球上平行运行完全相同的系统作为重力对照，确保比较的可靠性。

**结果**
**微重力与地球对照的总体差异**：共聚焦显微镜图像显示，在相同的培养条件和时间下，ISS上所有样品（包括未涂层不锈钢和三种交联涂层）的细菌粘附密度均明显低于地球样品，提示微重力环境可能影响了细菌与表面的相互作用。

**不同交联剂涂层的性能比较**：通过荧光覆盖率定量统计，Ser–Ser交联薄膜在ISS和地球两种条件下均表现出最低的细菌表面覆盖率，显著低于DEGDMA、CBMAX涂层及未涂层不锈钢。DEGDMA和CBMAX涂层相比未涂层对照虽然仍有明显抗粘附作用，但经过58天长期暴露后其性能有所下降。

**微重力对粘附下降幅度的影响**：相对于地球对照，ISS样品上未涂层不锈钢的细菌粘附降幅最大，这可能是因为在微重力下缺少沉积作用，细菌难以靠重力沉降到垂直安装的样品表面。而涂层样品由于本身粘附基准较低，下降幅度相对有限，但Ser–Ser涂层在两种重力下的归一化覆盖率均保持在约30%左右，表明其抗粘附机制不受重力条件的干扰。

**归一化性能评估**：将各涂层与同条件下未涂层不锈钢的表面覆盖率进行归一化后，DEGDMA和CBMAX涂层在地球重力条件表现相对更好，而Ser–Ser涂层在两种条件下性能相当，进一步验证了其抗粘附能力的稳定性和优越性。

**讨论与结论**
讨论部分指出，DEGDMA和CBMAX涂层在长期暴露中抗粘附性能下降，而Ser–Ser交联涂层表现出持续的稳定性。部分残留的细菌粘附可能源于旋涂过程产生的纳米级表面形貌，通过优化涂布工艺（如浸涂）可进一步降低粘附。研究者强调，微重力环境下细菌毒力增强与表面接触减少之间存在复杂的平衡，但Ser–Ser涂层的优势依然显著。
结论部分翻译如下：细菌粘附及其后续的生物膜形成对长时间太空飞行构成重大障碍。由于长期任务中医疗护理和备件的获取严格限于航天器自身携带，必须增设多重防护。本研究在国际空间站微重力条件下评估了TMA/CAA聚两性电解质共聚物薄膜水凝胶预防R. pickettii粘附的能力，并与地球重力对照进行比较。经过58天的细菌暴露，所有在ISS上暴露的实验样品均显示出比地球对照显著更低的细菌粘附水平。此外，Ser–Ser交联薄膜水凝胶在抗细菌粘附方面表现出统计学上的优越性，优于所有其他交联薄膜和不锈钢对照。这些结果表明，Ser–Ser交联