诺丁汉大学的研究人员利用微地形筛选程序筛选了2176种图案，找到了让细菌“打滑”的“迷宫”，为寻找抗菌材料找到了一条新路。

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寻找新型抗菌材料

细菌感染一直是医生的大敌，要是那些体外的医疗设备还能用杀菌剂、高温、射线等各种手段灭菌。但对于植入体内的导管、人工关节、心脏瓣膜等塑料材质的人工植入物，即使在植入前已经过严格的灭菌消毒，仍无法保证它们在植入人体后不会发生感染。

细菌会附着在塑料表面并分泌出一层由多糖、蛋白质、核酸组成的生物膜（细胞外聚合物EPS），这层膜不单增强了细菌与塑料表面之间的结合力，还让其他细菌也能轻松附着并形成菌落。

更让人惊奇的是，在实际环境中，多种细菌通过分泌成分不同的EPS，并相互协作形成更稳定、更能抵御抗生素和消毒剂的多物种生物膜。例如，假单胞菌就喜欢和李斯特菌、沙门氏菌共存，形成互惠互利难以消灭的复杂菌落。

由于菌落有生物膜的保护，其造成的术后感染难以治疗，需要长期服用抗生素甚至多次手术才能治愈。研究人员一直在寻找能自动长期抗感染的医用材料，传统方法是在材料中添加抗生素或杀菌剂，但这类方法抑菌时间有限，反而容易筛选出特别耐药的超级细菌出来。

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用“迷宫”欺骗细菌

其实细菌们在形成生物膜之前，会通过一种叫作“群体感应”（Quorum Sensing，QS）的方式互相“联络”，当细菌数量足够时它们会分泌出“润滑油”，这种“润滑油”是一种生物表面活性剂，能让细菌体表变得滑滑的，更容易在物体表面移动。

诺丁汉大学的研究团队利用这个原理，设计出一种特殊的表面，这个表面有很多重复出现的小坑组成的“迷宫”，细菌在这些坑里会受到地形刺激提前分泌出“润滑油”，这样细菌就只能在这个表面上滑来滑去，难以附着并形成生物膜了。

为了出最合适的小坑形状，他们让计算机通过排列组合设计出了包含2176种图案的数据库，这些图案由10微米高的小柱子重复排列组成3至10微米宽的几何图形。

他们从对医院威胁最大的细菌中选出了，有鞭毛跑得快的铜绿假单胞菌 PAO1和无鞭毛的金黄色葡萄球菌 SH1000作为细菌们的代表，放到这些迷宫里做测试。

利用机器学习他们发现了能有效抗菌的“迷宫”与最大内切圆半径和特征覆盖率两个几何参数有关，通过微地形筛选程序的筛选，他们找到了881号和685号两种最符合这种规则的图形。而697和336号反而能让细菌更容易附着。

抗菌效果最好的881和685号，最差的697和336号

在小鼠身上实验表明，这种特殊表面能让两种细菌数量降低到15分之一。这种图形的抗菌效果在几种常见塑料材质效果相同，也不受重力和流体条件影响。

这项研究的潜在影响是巨大的。它为解决医疗植入设备相关感染这一长期困扰临床的难题提供了强大而创新的工具。基于此设计理念开发的新一代抗感染导管、人工关节、心脏瓣膜等，有望显著降低院内感染率、患者痛苦和医疗成本。

同时，这种结合物理设计“操控”细菌生物学行为的策略，也为合成生物学在材料-生物界面领域应用提供了绝佳范例。

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编辑｜张毅

主编｜黎坤

总编辑｜吴新

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