蝉翼纳米结构对革兰氏阳性菌的力学杀菌活性

细菌的定殖与扩散对医疗保健、食品、制药及生物技术等多个关键行业构成重大生物安全威胁。为降低风险，目前业界普遍采用添加抗生素、使用化学消毒剂处理、以及涂覆抗菌化学涂层等干预措施。然而，这些化学灭菌方法可能对人类健康产生潜在不利影响。相比之下，蝉翼表面凭借其天然的微米纳米结构，展现出物理抗菌特性，在实现高效灭菌的同时避免了化学制剂带来的健康风险，从而为安全的抗菌策略提供了新思路。

关键词

#蝉翼、#纳米结构、#革兰氏阳性菌、#杀菌效率、#力学杀菌机制

介绍

抗生素的日益滥用加速了细菌耐药性的发展，导致2019年全球超过130万人死亡。新型抗生素的研发进展迟缓，而微生物和病毒病原体在各类表面上的持久存在加速了疾病传播，对公共卫生构成严重威胁。在此背景下，能够替代化学制剂的天然抗菌表面材料引起了广泛关注。

其中，蝉翼因其独特的物理杀菌特性备受关注。蝉翼的上下表面覆盖着高度有序排列的锐利纳米结构（纳米柱、纳米锥），这些结构能通过机械作用破坏细菌的完整性并杀死细胞。

在设计抗菌表面时，仅关注细胞排斥力未必是最佳防御策略；更有效的方法是设计能主动捕获并消灭细胞的表面。此类抗菌表面有望应用于空气净化系统，可高效拦截并灭活空气中细菌，从而减轻气溶胶传播引发的交叉感染风险。此外，它们还可用于水处理工艺以提升水质。

先前研究将纳米结构的杀菌机制主要归纳为三类：

1. 纳米柱的刚性导致细菌因细胞膜与纳米柱侧壁之间的粘附力而下沉，最终被纳米柱尖端直接刺穿；

2.当细菌沿纳米柱侧壁下降时，被困于柱间的细胞会因拉伸（而非尖端刺穿）而发生膜变形和破裂；

3.细菌在纳米柱上移动时，会导致内膜与脂质双层（革兰氏阴性菌）发生分离，从而引起剪切变形和膜失效。

值得注意的是，当前的机理研究仍存在明显局限：研究焦点仅关注纳米柱的几何参数（直径、高度、间距和纵横比）以及表面物理特性（刚度和粗糙度），却忽视了其他潜在的关键因素。

细菌细胞特性（如机械刚度和形态）是影响纳米结构杀菌效果的关键因素之一。既往研究已探索天然及仿生纳米结构材料对革兰氏阴性菌和阳性菌的杀菌效应。由于细胞刚度差异，普遍认为这些纳米结构对革兰氏阴性菌具有更显著的杀菌效果。然而对革兰氏阳性菌的研究结果仍不一致。

基于现有研究数据，对天然生物纳米结构、硅基纳米结构和金（Au）基纳米结构针对金黄色葡萄球菌的杀菌效率差异进行了系统性比较。

Hasan等人研究了蝉翼表面纳米图案对两种细菌的杀菌效果。研究发现，经30分钟孵育后，蝉翼表面形态对革兰氏阴性菌（卡他支原体、大肠杆菌、铜绿假单胞菌和荧光假单胞菌）具有显著杀菌效果，但对革兰氏阳性菌株（枯草芽孢杆菌、海盐球菌和金黄色葡萄球菌）仅产生微弱影响。

Shahali等指出，天然纳米柱结构在18小时后显著增强对金黄色葡萄球菌的杀菌效果，其中Aleeta curvicosta蝉翼展现出最高杀菌活性，菌落数从初始的2.52×10⁶ CFU/mL降至1.43×10⁶ CFU/mL。

Bhadra等人采用反应离子刻蚀技术在黑硅表面制备纳米柱结构，并评估其对金黄色葡萄球菌的杀菌效率。

值得注意的是，经纳米柱改性的硅晶片在18小时孵育后对金黄色葡萄球菌展现出高达92%的杀菌效率。Nguyen等人同样在硅晶片表面构建了纳米柱结构，但其对金黄色葡萄球菌的杀菌效率仅达8%。

另外，Wu等人通过在纳米多孔模板中电沉积金，在表面制备了金纳米柱。针对金黄色葡萄球菌的抗菌实验表明，所有表面在2小时的接触过程中均展现出超过99%的杀菌效率。

革兰氏阳性菌在临床环境中呈现出日益严重的耐药性，其致病性对治疗构成重大挑战。本研究选取两种具有代表性的革兰氏阳性病原体——蜡样芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌作为模式菌株。这些菌株代表了革兰氏阳性菌的两种基本形态类型（杆状与球状，带鞭毛与无鞭毛），且具有重要临床意义：金黄色葡萄球菌是医院感染的主要病原体，而蜡样芽孢杆菌则是食源性疾病的关键致病菌。

本研究探讨了两种革兰氏阳性细菌与纳米柱阵列之间的细胞表面相互作用。通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）定量检测细菌附着于纳米柱后的存活/死亡细胞数量，从而评估其机械杀菌活性。同时，通过扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）表征细胞-表面界面，实现了纳米柱-细菌生物界面的直接可视化观察。

图1 蝉翼表面表征。

（a）螂蝉实物图。

（b）蝉翼的翅脉与膜质结构。

（c）翅背侧与腹侧表面均具有纳米柱阵列。

（d）翅表面规则六边形纳米柱阵列的SEM图像；左下角插图显示水接触角测量结果。

（e）AFM图像及相应高度截面轮廓。

论文信息

论文标题：

蝉翼纳米结构对革兰氏阳性菌的机械杀菌活性

关键词：

#cicada wings, #nanostructure, #gram-positive bacteria, #bactericidal efficiency, #mechano-biocidal mechanism

作者：Jianwei Qu、Shiya Gu、Lei Chen、Fangming Cui、Huan Wang、Liyan Wu

机构：沈阳农业大学

https://journals.asm.org/doi/10.1128/spectrum.02037-25 

摘要

传统防污机制主要通过抑制微生物在材料表面的初始附着来防止生物污损。

相反地，蝉翼的防污效果源于其微结构或纳米结构表面。这些结构能捕获并破坏附着的微生物，从而阻止生物膜形成并实现有效防污。

本研究选用两种典型的革兰氏阳性致病菌株——杆状的蜡样芽孢杆菌和球状的金黄色葡萄球菌——作为模型微生物。通过活/死染色法定量评估了螂蝉（Pomponia linearis）蝉翼纳米柱阵列对表面附着革兰氏阳性菌的杀菌效能。

同时运用扫描电子显微镜/透射电子显微镜可视化细菌与结构相互作用过程中的界面形态演变，旨在阐明物理破坏如何破坏细菌细胞完整性。结果表明，纳米柱表面对两种革兰氏阳性菌均展现出强效杀菌活性，其中蜡样芽孢杆菌的杀灭效率始终更高。该杀菌效应并非由化学成分介导，而是遵循纯物理的“附着-变形-破裂”机制。该机制颠覆了抗菌生物膜材料的设计范式，实现了从被动排斥到主动“捕获-杀灭”双重功能策略的转变。