仿生超疏水表面在對抗真菌、細菌和病毒等微生物污染方面具有獨特的優勢。研究者普遍認為，超疏水基材的抗生物污染能力主要來自于截留的空氣層，在固-液界面截留的空氣層作為下面的基質和液體環境之間的屏障，并且可以顯著減少微生物粘附。然而，一些超疏水表面被證明在某些情況下可以促進微生物的附著，但有些疏水表面則無法實現，這意味著需要更好地了解控制超疏水表面介導微生物附著能力的機制。

為此，來自吉林大學任露泉院士團隊的趙杰教授聯合山東第一醫科大學蔣如劍副教授全面且科學的總結了表面超疏水性與微生物黏附之間的關系及超疏水表面抗微生物黏附的作用機理。本文從超疏水表面禁錮的空氣層，表面粗糙度、固體表面能三個相關的因素出發，全面揭示了微生物粘附性和表面超疏水性之間的非直接相關性（圖1）。

相關綜述論文以“Bioinspired superhydrophobic surfaces, inhibiting or promoting microbial contamination?”為題于2023年7月4日（proof版本）發表在《Materials Today》上。

圖1 超疏水表面微生物黏附行為的決定性影響因素概述

1. 微生物在表面上的粘附和增殖

特定的病原微生物，包括病毒、細菌和真菌，其形狀、大小、結構類型和生命特性各不相同（圖1）。因此，它們的附著機制和程序將顯著不同。作者在討論超疏水表面抗粘附性能的主導因素之前，首先介紹了這些微生物在表面上的粘附和增殖，以詳細說明微生物與表面的相互作用。隨后作者介紹了病毒在表面上的吸附，并介紹受污染的表面在病毒大流行傳播中的重要作用，并提供細菌和真菌的粘附程序和生物膜形成。

圖2 常見病原體的尺寸排列及其在表面的粘附和增殖示意圖

2. 禁錮空氣層對于微生物在超疏水表面附著的影響

作者在本節回顧了禁錮空氣層如何影響微生物粘附的機制，以及評估抗粘附效果的計算方法。目前，一個被廣泛接受的機制被總結為阻礙效應：一旦氣泡被禁錮在水滴下或在浸沒的情況下，就會產生堅固的空氣-液體界面。由于水的高界面張力，微生物細胞不能穿透該界面。因此，當這些內聚的氣泡作為表面和液體環境之間的阻礙屏障（圖3）。總的來說，禁錮的空氣層在防止微生物粘附方面表現出明顯的有效性，但是它可能不是決定超疏水表面抵抗微生物污染能力的唯一因素，并且可能存在與超疏水表面相關的其他要素(如表面形貌/粗糙度和低表面能)來控制微生物的粘附行為。當防粘空氣層被破壞或擴散到大量水中時，微生物將直接受到超疏水表面元素的影響，包括表面形貌和低表面能。

圖3 通過空氣層抑制微生物黏附

3. 影響微生物粘附的表面形貌或粗糙度

微生物在納米結構表面上的抗粘附程度隨尺度大小而變化，而形貌形狀可能是抑制微生物在納米結構表面上粘附的無關緊要的因素，這也解釋了具有納米結構的超疏水表面即使在沒有氣泡存在的情況下也能普遍有效地抑制微生物粘附的現象。因此，為了在防粘空氣層消失后實現長期的微生物排斥效率，納米級結構和微米級圖案將為在超疏水表面上構建合適的抗生物污損形貌提供有用的指導（圖4）。

圖4 微生物對微結構表面凹陷區域的粘附偏好

4. 低表面能影響微生物的抗粘附性能

作者正在本節指出，盡管對于微生物粘附的表面自由能的分析沒有統一的結論，但是熱力學方法已經提供了重要的啟示（圖5）。在大多數情況下，超疏水表面的適當低表面能確實對微生物粘附具有預防作用。另一方面，有必要進一步了解低表面能和微生物粘附之間的復雜機制，考慮到粘附的流動性和超疏水表面與微生物細胞相互作用時低表面能的作用。

圖5 基于熱力學理解的典型“拜爾曲線”和表面能對微生物粘附的影響

5. 結論和展望

近年來，在使用超疏水表面對抗微生物污染(例如，病毒、細菌和真菌)方面有了巨大的發展。作者在本文系統總結了三個主要因素，控制微生物粘附在超疏水表面的阻力：禁錮空氣層，表面形貌和低表面能。為了全面地解釋超疏水性和微生物污染之間的關系，研究者應該綜合地和分別地考慮截留空氣層、表面形貌和表面能的作用。

提高超疏水表面抗生物污損能力最直接的方法是延長截留空氣層的穩定性，一是從天然模板的特征結構中尋找靈感，二是利用電化學方法、熱再生或分解反應。作者提出了抗生物污損超疏水表面的最佳設計是基于表面形貌以及適當范圍的低表面能與固有抗粘附性能的整合，并且所得的空氣禁錮能力將賦予表面有效的微生物排斥性(圖6)。

圖6 設計最佳超疏水表面以抑制微生物污染的路線圖

最后，這篇綜述全面解讀了微生物污染和表面超疏水性之間的相關性，解釋了為什么超疏水表面并不一定能有效抑制微生物感染。基于對空氣層、表面形貌和表面能的單獨和協同作用的理解，所有總結的結論將為具有增強的抗生物污損性能的超疏水表面的開發及其在處理微生物引起的表面污染中的廣泛應用提供指導。