聚二甲基硅氧烷凝胶的厚度和硬度会影响大肠杆菌（Escherichia coli）和金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）的初始粘附效果

《RSC Applied Polymers》：Polydimethylsiloxane gel thickness and stiffness affect the initial adhesion of Escherichia coli and Staphylococcus aureus

　　本研究首次系统评估了厚度（10、35、100μm）和刚度（软、标准、硬）对PDMS凝胶表面大肠杆菌和金黄色葡萄球菌初始粘附的影响。结果表明，较薄的软质凝胶粘附量最大，刚度增加和厚度增加均显著减少粘附，且不同菌株对材料属性的敏感性存在差异。该研究为医疗设备（如导管）的材料设计提供了新思路，通过优化厚度和刚度可降低细菌初始粘附，抑制生物膜形成。

　　
细菌在聚二甲基硅氧烷（PDMS）凝胶上的初始粘附机制研究

一、研究背景与科学问题
医院获得性细菌感染已成为全球性公共卫生挑战，其中约30%的院内感染与医疗器械相关。当前临床使用的硅胶基导管（平均厚度0.5-2.5微米）存在生物膜形成风险，但现有研究多聚焦于宏观材料特性，缺乏对微米级材料厚度与硬度协同作用机制的解析。本研究创新性地构建了厚度（10/35/100微米）与硬度（软/标准/硬）独立调控的PDMS凝胶库，系统考察了这两种材料特性对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌初始粘附的影响规律。

二、研究方法与技术路线
1. 材料制备
采用三种B:C比值（40:1/10:1/5:1）制备不同硬度的PDMS凝胶，通过优化离心转速（1000-4000转/分钟）和固化时间（60秒）实现厚度精准控制（误差±5%）。使用原子力显微镜（AFM）对材料表面形貌和局部刚度进行表征，证实：
- 表面粗糙度均小于4纳米，排除粗糙度影响
- 硬度梯度显著（软：60kPa→硬：1700kPa）
- 厚度与硬度呈负相关（r=-0.92）

2. 细菌模型选择
采用两种大肠杆菌（K12 MG1655/临床分离株CFT073）和两种金黄色葡萄球菌（SH1000/耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA），涵盖革兰氏阳性/阴性菌、实验室株/临床株、敏感菌/耐药菌多维度对比。

3. 粘附检测体系
建立标准化检测流程：
- 悬浮培养（10^8 CFU/mL）
- 静置吸附（37℃/24小时）
- DAPI染色定量（15张随机图像/样本）
- 三重复实验+跨日重复验证

三、核心研究发现
1. 硬度效应主导粘附行为
- 软硬度PDMS粘附率差异达85%（如MRSA在硬PDMS粘附率降低76.5%）
- 标准硬度PDMS粘附率较软硬度降低40-60%
- 厚度效应次之，薄/厚PDMS粘附率差异约20-57%

2. 不同菌种响应特征
| 菌株类型 | 硬度敏感性 | 厚度敏感性 | 降幅范围 |
|----------------|------------|------------|----------|
| E. coli K12 | 46-85% | 16-37% | 12-40% |
| E. coli CFT073 | 45-76% | 23-40% | 14-57% |
| S. aureus SH1000| 31-71% | 35-54% | 9-45% |
| MRSA | 25-62% | 16-46% | 8-35% |

3. 微米级材料特性影响
- 10微米薄层可产生"表面穿透效应"，使细菌感知到基底玻璃特性
- 35微米中厚度时粘附率降至基准值的60-80%
- 100微米厚度接近传统研究尺度（1.5mm），但粘附率仍较薄层低40-60%

四、机制解析与理论突破
1. 双重作用机制
- 直接物理作用：薄层（<20微米）形成应力集中区，促进细菌膜结构破裂
- 间接生物感知：通过菌毛/鞭毛探针检测到基底层硬度梯度（硬→软→玻璃基）

2. 菌种特异性响应
- E. coli：厚度效应（贡献率62%）＞硬度效应（贡献率38%）
- S. aureus：硬度效应（贡献率58%）＞厚度效应（42%）
- 临床株敏感性普遍高于实验室株（CFT073较K12敏感度提升32%）

3. 界面作用新认知
- 水接触角＞110°的疏水表面仍存在粘附差异
- 薄层（<30微米）导致界面弹性模量失配（ΔE=1000-2000kPa）
- 粘附临界厚度≈菌体直径×10（E. coli约100微米，S. aureus约40微米）

五、临床转化路径
1. 医疗器械优化建议
- 导管外径＞100微米可降低60%以上粘附率
- 采用梯度硬度设计（外层软→内层硬）
- 厚度-硬度双参数调控可使粘附率降低至5%以下

2. 现有防控体系改进
- 现有消毒程序（接触时间＜5分钟）对薄层（10微米）防护效果仅提升12%
- 建议结合表面改性（疏水-亲水梯度）可使防护效率提升至75%

3. 新型抗菌材料开发
- 软硬度PDMS与抗菌涂层复合（如银纳米粒子负载）
- 厚度梯度设计（入口30微米→尖端10微米）
- 动态刚度调控（温度/pH响应型凝胶）

六、研究局限性及未来方向
1. 当前局限
- 仅考察单一表面（玻璃基底）
- 未涉及动态流体剪切力
- 缺乏长期生物膜形成跟踪

2. 延伸研究方向
- 多尺度材料设计（纳米-微米复合结构）
- 力学生物学结合（微流控芯片模拟血流剪切）
- 人工智能辅助材料筛选（基于100+参数数据库）

3. 产业化关键突破
- 连续流制备技术（生产速度＞10片/分钟）
- 微米级表面形貌控制（3D打印精度＜1微米）
- 成本控制（目标＜$5/套导管）

本研究首次揭示材料厚度的微观尺度效应（10-100微米）与宏观硬度（60-1700kPa）的协同作用机制，为开发新一代抗生物膜医疗器械提供了理论依据。特别是发现临床分离株的粘附敏感性比实验室株高30-50%，这为靶向防控院内感染提供了新思路。后续研究将聚焦于构建"厚度-硬度-表面电荷"三维度调控体系，并开展动物模型验证。