表面涂層旨在減輕普遍存在的生物污損，預(yù)示著復(fù)雜生物環(huán)境中表面保護(hù)的新時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。然而，盡管使用了殺菌劑，現(xiàn)有策略仍受到持續(xù)和反復(fù)出現(xiàn)的生物膜附著問(wèn)題的困擾。

2024年9月5日，東北大學(xué)王福會(huì)教授、徐大可教授（2024年度國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者）、李祥宇副教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials期刊發(fā)表題為“Robust Chiral Metal–Organic Framework Coatings for Self-Activating and Sustainable Biofouling Mitigation”的研究論文，東北大學(xué)材料學(xué)院于智群為論文第一作者，李祥宇副教授、徐大可教授為論文共同通訊作者。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407409

該研究發(fā)了一種手性金屬有機(jī)框架（MOF）涂層，該涂層具有保形微結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)一種新的防生物污損模式，即自發(fā)生物膜分解后消滅細(xì)菌。

手性MOF的防生物污損涂層示意圖 圖源：Advanced Materials

設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單通用的金屬-多酚網(wǎng)絡(luò)（MPN），可將殺菌Cu²⁺和抗生物膜D-氨基酸配體的MOF納米盔甲牢固地錨定在不同材料類別和表面拓?fù)涞母鞣N基底上。結(jié)合多種手性氨基酸，使所得到的涂層具有廣泛的生物膜擴(kuò)散信號(hào)，促進(jìn)銅催化的化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)和固有的機(jī)械殺菌活性。

RNA測(cè)序轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，這種協(xié)同機(jī)制產(chǎn)生了前所未有的抗生物污染功效，增強(qiáng)了廣譜抗菌活性，阻止了生物膜的形成，并破壞了成熟的生物膜。此外，螯合定向的非晶/晶體涂層可以激活光致發(fā)光特性，從而抑制微藻生物膜的沉降。該研究為手性增強(qiáng)的抗菌行為提供了一個(gè)獨(dú)特的視角，并為開(kāi)發(fā)適用于各種應(yīng)用的下一代抗生物污染涂層開(kāi)辟了一條合理的途徑。

圖源：Advanced Materials

該研究開(kāi)發(fā)了一種通用的螯合定向策略，用于在環(huán)境條件下合成堅(jiān)固的基于手性MOF的防生物污染涂層。通過(guò)MPN的生物激發(fā)聚合和原位D-氨基酸集成礦化，將所得涂層設(shè)計(jì)成無(wú)定形/晶體異相結(jié)構(gòu)。由單寧酸（TA）、聚乙烯亞胺（PEI）和Cu²⁺組成的MPN不僅通過(guò)模仿貽貝足蛋白的凝固過(guò)程賦予了不依賴表面的錨定能力，而且還具有豐富的成核位點(diǎn)，可以有效地固定MOF。

該研究提出，對(duì)三元組成的精確控制能夠解決與快速和不受控制的Schiffbase/Michael加成反應(yīng)相關(guān)的嚴(yán)重聚集和生長(zhǎng)不良的問(wèn)題。D-氨基酸作為功能有機(jī)亞基固定在中間粘附層上，與Cu²⁺周期性地組裝成MOF納米材料。這種結(jié)構(gòu)骨架提供了一種概念上不同的方式來(lái)增強(qiáng)D-氨基酸的物理化學(xué)穩(wěn)定性和發(fā)揮其生物學(xué)特性。

更重要的是，局部手性微環(huán)境可以與抗菌元素位點(diǎn)協(xié)同作用，獲得前所未有的抗生物污染性能，提供對(duì)細(xì)菌和藻類的廣譜抗性，抑制生物膜的形成，并根除成熟的生物膜。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和RNA測(cè)序轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析表明，獨(dú)特的抗生物污染途徑包括納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械殺菌作用、高毒性羥基自由基（·OH）引起的DNA氧化損傷、手性依賴的生物膜調(diào)節(jié)和熒光誘導(dǎo)的藻類治理。

該研究提供了一個(gè)具有“即配即殺”特征的協(xié)同防污模式的范例，并揭示了高度自適應(yīng)手性MOF衍生涂層在抗菌、抗感染和其他涉及生物膜的生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

MPN-DMOF的制備工藝及表征 圖源：Advanced Materials

總之，該研究首次展示了一種順序的“即配即殺”抗生物污染方法，用于開(kāi)發(fā)手性MOF涂層，將殺菌效果和生物膜分散能力結(jié)合起來(lái)。定制跨多尺度界面的MPN自組裝，為螯合介導(dǎo)的MOF礦化提供了一個(gè)堅(jiān)固且可擴(kuò)展的粘合劑平臺(tái)，具有與表面無(wú)關(guān)的錨定能力。

包裹在MPN中的Cu²⁺可以溫和地、可控地濃縮一系列D-氨基酸作為MOF構(gòu)建塊的配體，從而形成具有可調(diào)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的分級(jí)異相構(gòu)型。

由此產(chǎn)生的納米裝甲幾何結(jié)構(gòu)允許優(yōu)越的細(xì)菌機(jī)械失活，從而增強(qiáng)氧化還原活性銅催化的類芬頓反應(yīng)所產(chǎn)生的ROS的破壞作用。更重要的是，MPN-DMOF保留了D-氨基酸固有的天然功能，從而抑制了生物膜的形成和成熟生物膜的脫離。

此外，涂層利用獨(dú)特的藍(lán)色熒光來(lái)發(fā)出防止藻類的信號(hào)，在復(fù)雜的生物條件下（如海洋環(huán)境）加強(qiáng)表面保護(hù)。在這種協(xié)同作用下，MPN-DMOF在不使用危險(xiǎn)化學(xué)品和額外能量輸入的情況下，表現(xiàn)出了顯著的廣譜生物防污性能，優(yōu)于采用單一抗生物防污模式的傳統(tǒng)涂層。該項(xiàng)研究為穩(wěn)健、可持續(xù)和低成本的抗生物污染技術(shù)提供了一個(gè)創(chuàng)新范例，這可能為環(huán)境修復(fù)、生物醫(yī)學(xué)、生物催化等領(lǐng)域提供選擇或靈感。