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深圳科学家研发出新型生物材料 充电15分钟就能杀灭细菌
来源: 南方网    发布日期: 2018-12-24
 
 

  新型生物材料“充电”后能杀灭细菌?近日,中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称“深圳先进院”)研究团队联合香港城市大学以及中科院北京纳能所开发出一种基于电容涂层、通过充放电以实现有效抗菌的新型生物材料,反复充电后的杀菌效率能超过90%,具有效率高、风险低、应用空间广泛等特点。

  该技术有望应用于牙科及骨科植入材料中,以降低患者的术后感染风险,相关论文“一种基于碳掺杂二氧化钛纳米管电容特性的新型抗菌平台”不久前发表于国际知名学术期刊《自然·通讯》。深圳先进院生物医用材料与界面研究中心研究员王怀雨介绍,相关产品研发已于近期获批中科院科技服务网络计划区域(STS计划)重点项目。

  反复充电后杀菌效率超90%

  公开资料显示,钛及其合金作为外科植入物材料,应用十分广泛,具有密度小、强度高、韧性好、生物相容性好、无毒等优点,但其缺点亦十分明显:这种材料本身并不抗菌,植入人体后较易发生感染,大都需要服用抗生素、银离子等来抵抗细菌,前者作用于小范围区域的抗菌效率并不高且容易让细菌产生耐药性,后者则本身就具有一定的毒性,存在一定的安全隐患。

  如何在充分利用钛合金材料优势的基础上,又保证其能抗菌呢?王怀雨和项目执行人之一、中科院深圳先进院客座博士生王国敏在此前的研究中发现,通过引入碳元素,来替换二氧化钛中的氧元素,能够提高电容量、实现电容调控,“随着电容的不断增加,其抗菌的效果也随之增加,这是一种很好控制的方式”。

  事实上,阳离子具有抗菌性的原理并不复杂,其是基于正电荷,通过静电作用粘附于带负电的细菌表面,最终导致细菌衰亡。基于这一成熟的研究背景,团队作了进一步的大胆假设:对钛合金材料进行元素替换后,样品只需要在2伏特电压下进行15分钟充电,便能保持3小时的杀菌效果,反复充放电后,其杀菌效率能提到90%以上。

  未来或加入无线充电技术

  举例而言,以往将钛合金作为牙科材料时,牙龈部位容易有菌斑附着,形成生物膜(细菌胞外大分子包裹的有组织的细菌群体),导致细菌难以被根除。“现在我们研究通过充电的方式,将细菌杀死,未来还会加入无线充电技术,提高充电效率和便捷度。”王怀雨说。

  以骨植入手术为例,术后前一个月较易发生感染,该时段内便适合运用这项技术,未来若加入无线充电技术后,术后护理也将更方便、安全。“这一概念很棒,将来如果落地形成产品,将会有很大的市场空间”,王怀雨直言,该项研究未来可能碰到的问题也很多,比如怎样控制效率,人体对无线信号的阻挡等。

  这项研究也并非一帆风顺。王怀雨介绍,抗生素的杀菌效率往往能达到99%,而通过充放电以实现有效杀菌的新型生物材料,其杀菌效率一次能超过80%,反复使用可达到90%以上,从数字上来看,依然低于抗生素,“未来我们还会优化该材料,使其达到和抗生素类似的效果,这是我们目前碰到的最大难点。”王怀雨说。

  王国敏表示,其研究的材料优势是副作用很小而且针对性很强,“抗生素往往作用于全身,我们只需要有针对性地进行充放电即可,不会引发全身的副作用”,她介绍,这种方法和其他抗菌方法的机制不一样,所以不会有交叉耐药的风险。

  目前,该物理抗菌方法已在大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等菌种上进行了广泛的效果验证,且被证明能通过循环充放电来实现对菌膜的有效抑制。

  交叉学科碰撞出新材料“火花”

  除了应用于骨科和牙科等医学领域,未来这一新型生物材料还有更广阔的应用空间。“比如养鱼的鱼池也需要杀菌,如果应用我们的金属材料,通过充放电来杀菌也是一个可以考虑的方式;再比如在严苛条件下的快速杀菌,如在战场附近进行手术,也能应用我们的技术。该材料未来有更大的发挥空间。”王怀雨说。

  “通过充放电实现生物材料的杀菌特性,我们走在了科研领域的最前沿,目前国际社会上还没有类似的研究。”王国敏告诉记者,研究这一技术需要能源、生物、材料等多重学科交叉,而香港城市大学和深圳先进院的合作,则提供了合适的平台,“我们目前正在做动物实验,并寻求骨科相关企业进行合作,后续效率等达到满意水平,才会真正地进行临床应用”。

  王怀雨也持相同的观点,他认为,生物材料本身就是交叉学科,是很多学科融合在一起,每个人都有自己的特长,能够取长补短,最终做出更出色的工作。“生物材料是一个交叉学科,研究者需要懂得的知识不能局限于生物和化学领域。刚开始做研究时,我补强了自己在材料方面的知识,让自己的知识面变得更广。”

 
 
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