新冠病毒让全人类认识到了这个看不见摸不着的病毒的存在以及对健康和人类社会的巨大影响。而另一个对人类威胁丝毫不弱于病毒的则是细菌，尺寸比病毒大十倍左右，是一个拥有细胞结构的完整生物体。在人类早期多数让人色变的病都是来自细菌感染，猩红热、细菌性痢疾、麻风病、还有常见的脓疱疮、麦粒肿、细菌性肺炎，扁桃体炎，脑膜炎、破伤风。人类文明的早期，数不清的人生命被细菌夺走，这种情况一直到了抗生素的发现，人类才终于掌握了有效对抗细菌的技术– 抗生素。
抗生物是一类小分子可以抑制和杀死细菌，通常用于抑制体内的细菌感染。然而抗生素不是一直有效，某些细菌能够通过快速变异进化出抵御抗生物的基因，产生耐药性，一旦产生耐药性，感染甚至死亡的几率就大幅上升，必须采用不同的抗生素抑制感染。而且过量使用抗生物也会进一步刺激细菌的变异，甚至产生超级细菌，各种抗生素都无法抑制它。全世界各国都一致认定细菌耐药性是人类面临的巨大威胁，每年引起的死亡人数超过130万人，是艾滋病和疟疾引起的死亡人数的总和。因为耐药性导致的感染造成的死亡人数排名第三位，仅次于冠状动脉心脏病和脑梗。
面对细菌的抗药性，人类面临着很大的威胁，急需另辟蹊径找到对付细菌的方法。科学家发现作为和细菌共生了几千万年的昆虫如蝉和蜻蜓演化出了一套抗菌秘术，纳米针尖，这些直径只有100纳米的针尖，由于远远超出了人类的肉眼甚至光学显微镜的观测范围，一直到了10年前才被澳大利亚科学家们发现[1]，在蜻蜓和蝉的翅膀上，生长着纳米针尖，当细菌附着在翅膀表面的时候，这些纳米针尖能够物理的破坏细菌的细胞膜，实现杀菌功能。这是通过物理的接触，完全没有使用任何抗生素和药物实现的抗菌功能。此研究发现一经报道，就引起了全球学者的广泛关注。
图1 澳大利亚科学家发现蝉翅膀上有肉眼不可见的纳米针尖能够物理杀菌。
然而纳米针尖的尺寸很小，远远超出普通紫外光刻制造技术的精度，需要用到昂贵的电子束光刻或者深紫外光刻才能够做出，成本较高，为了能够实现大面积低成本的纳米针尖的制造，浙江大学ZJUI学院胡欢研究员（流体动力与机电系统国家重点实验室固定成员）联合中科院理化所李雷副研究员联合领导团队研发出一种综合了纳米小球光刻和反应离子刻蚀的技术，如图2 所示，实现了在4寸硅片上面纳米针尖的制造，并且可以通过选择适合的纳米小球的直径，纳米小球的氧气等离子体刻蚀以及硅的反应离子刻蚀工艺条件，制造出不同直径，不同高度和间距的纳米针尖，实现杀菌的功能（图3）。
图2 结合纳米小球光刻和反应离子刻蚀技术的低成本大面积的纳米制造技术，
能够在4寸硅片尺度上制造出纳米针尖阵列。
图3 展示利用该纳米制造技术制造的硅纳米针尖的电子显微镜图片
团队采用了菌落计数、细菌死活荧光标记、扫描电镜形貌观察等多种方法来检测硅纳米针尖的抗菌能力。结果表明，孵育30小时之后，纳米针尖组的菌落数仅为空白组的41%，而平硅片组的菌落数仍然在80%左右（图4）。
图4 纳米针尖组、平硅片组、空管组的菌落数对比。
空管组，不放入任何硅片，仅孵育菌液；
平硅片组；
针尖组。
在扫描电镜下观察并拍照，实验结果如图5所示，平硅片上的大肠杆菌细胞壁完整，而具有纳米针尖表面上的大肠杆菌被针尖扎破，内容物流出，细胞干瘪死亡。
图5 扫描电镜观测到的大肠杆菌在光滑硅片和硅纳米针尖上的状态对比。
该研究解决了一个制造纳米针尖的瓶颈，能够大面积低成本的在硅片上制作出纳米针尖，并且由于纳米针尖十分规整可控，可以通过纳米压印两次，将纳米针尖结构复制到柔性生物兼容材料当中，例如PET, PMMA等聚合物材料，有望在导管如导尿管，植入人造骨表面等需要抗菌的表面中得到应用，实现无需抗生物的持续抑制细菌。有最新研究表面，带有金属的纳米针尖亦可能抑制病毒的复制，下一步工作将探索纳米针尖在抗病毒表面的可行性，以及融合更多抗细菌/病毒机制例如金属离子等。
该研究工作发表在了国际杂志Colloids and Surfaces B: Biointerfaces胶体和表面-生物界面期刊上。该工作受到浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室开放基金, ZJUI启动资金，和唐仲英基金会的资助。
原文地址:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927776522007767
胡欢实验室主页：http://person.zju.edu.cn/huanhu
李雷介绍网页：http://www.ipc.cas.cn/sourcedb_ipc_cas/cn/lhsrck/dwswyyxyjz/202007/t20200710_5623731.html