以天然生物被膜為啟發：科學家用D型氨基酸造出防污新材料，可避免海洋防污劑大量使用

前不久，95 后科學家李祥宇為海洋工程材料披上了一層致密的“防護鎧甲”，讓海洋防污迎來了一種新策略。
圖 | 李祥宇（來源：李祥宇）
李祥宇所在的遼寧省，是中國的一個沿海省份。他所任職的東北大學，便位于該省的沈陽市。
作為沿海省份的一名科研人員，他將自身所長和地域需求加以結合，從清華大學博士畢業后一直專注于研究海洋防污，入選了中國博士后創新人才支持計劃，并獲得海洋強國青年科學家提名獎。
與此同時，我國海域總面積約為 473 萬平方千米。因此，李祥宇的研究方向是一個富有應用前景的科研領域。
近日，他和團隊造出一種金屬有機框架材料涂層，兼具殺菌功能和生物被膜驅散功能，能夠實現自觸發防污，同時本次策略具備基底普適生長的優勢。
在海洋防污領域，憑借獨特的防污增效性能，本次涂層材料能避免海洋防污劑的大量使用，降低防污涂層的環境危害性并延長其服役壽命。
在工業生產和醫療健康等領域，面對無處不在的生物被膜，本次涂層材料可以有效提高工業設備在復雜生物環境中的服役壽命，提高醫療植入體和人體之間的生物兼容性，進而避免感染等情況的發生。
（來源：Advanced Materials）
填補手性抗菌防污的研究空白
近年來，隨著中國海洋強國、軍民融合等戰略的推行，海洋資源的開發利用已成為提高綜合國力和爭奪戰略優勢的制高點。
然而，在復雜多變的海洋環境中，大量的微生物、動植物不可避免地在工程設施表面黏附、生長和繁殖，以至于會引發嚴重的海洋生物污損，從而成為困擾海洋工程材料發展的長期性難題。
而現階段的海洋防污涂層大多面臨著環境危害大、服役壽命短、防污效果差的缺點，嚴重阻礙海洋經濟的快速可持續發展。
如何通過剖析污損過程針對性地設計全新的防污機理，從根本上開發新型防污材料，是突破該領域卡脖子技術的關鍵所在。
研究發現，由細菌、胞外聚合物等構成的生物被膜，是海洋生物污損形成的關鍵步驟。
如能抑制生物被膜的形成，則有望為海洋防污提供有效的技術途徑。
然而，相比于游離的細菌，生物被膜作為微生物的保護性框架，具有普適性生長、黏附能力強、持續反復的特點。
即使采用高含量的殺菌劑，也難以抑制生物被膜的形成，反而會造成細菌耐藥性的問題。
此外，對于成熟的生物被膜的根除更是面臨巨大的困難，即使是光熱、光催化、化學動力學等前沿殺菌策略也束手無策。
2010 年，研究人員發現細菌自我分泌的 D 型氨基酸是促進生物被膜天然分解的關鍵信號。
而李祥宇所在的課題組也是國際上最早開展生物被膜分解增效劑研究的團隊之一。
他和同事發現：利用生物功能信號分子 D-氨基酸作為殺菌劑增效劑，通過 D-氨基酸的“開關”作用，可以實現細菌生物被膜的快速驅散。
借此能將難以殺死的細菌生物被膜轉化為容易被殺死的游離態細菌，從而幫助殺菌劑更有效地殺死細菌生物被膜。
在降低殺菌劑使用量的前提下，能將殺菌效率提高 102-104 倍。
然而，由于采用的是殺菌劑與 D 型氨基酸的藥劑復配體系，這種小分子游離形式面臨易失活、壽命短、難循環的難題，會讓抗菌防污效果難以持續。
為此，李祥宇和同事一直在思考能否制備一種含有殺菌劑與 D 型氨基酸的穩定一體化防污材料。
“兩年前的一個夜晚，我突然想到金屬有機框架材料本身具有結構可控、活性位點多、孔隙率高的優點，那么能否用金屬有機框架材料來實現一體化的構建呢？”他說。
第二天，他就開始著手調研文獻，發現氨基酸基金屬有機框架材料報道較少，對于手性抗菌防污的研究更是處于空白地帶。
于是，他和同事制定出詳細的實驗方案，針對金屬有機框架材料中心抗菌金屬離子和氨基酸配體進行上百次的組合優化。
為的是能夠設計一種“一劑多效”的防污材料，實現抗菌與驅散的一體化，并能提出一些關于手性防污的全新觀點。
在他們的設想中：材料在發揮防污作用時好比拆房子一樣。
材料能把生物被膜、也就是把微生物的“房子”骨架先拆除，進一步將每個細菌“磚塊”逐一擊破，從而實現高效、穩定的表面防護。
為了實現這一目標，他們先是篩出合適的金屬有機框架材料構筑單元，并從中心離子上和配體上進行多次組合驗證。
“基本上所有的手性氨基酸我們都試了一遍，借此篩出了幾種具有優異防污功能的金屬有機框架材料。”李祥宇說。
（來源：Advanced Materials）
隨后，針對這些候選材料的微觀形貌、配位方式和成核生長過程加以研究，這讓他們得以針對手性氨基酸金屬有機框架材料構筑，建立出一套較為完整的方法論。
不過，在實際應用中金屬有機框架材料始終存在一個弊端，即由于其本征粉體的性質，導致它很難直接在基底表面實現應用。
此前人們普遍采用的有機基質共混的方法，也一直面臨著金屬有機框架材料易團聚、有效成分低的問題。
為此，李祥宇一直在思考：到底有沒有一種方法能讓所開發的手性金屬有機框架材料，以均勻、致密的方式生長在任何基底表面？
“后來，我想到自己在讀博期間一直做的多巴胺涂層，其具有基底普適、黏附強度大的優勢。
通過利用這種涂層和經過多次優化，我們篩選得到一種具有優異涂覆性質的基于金屬多酚網絡的前驅體涂層。”李祥宇表示。
前驅體涂層中的金屬離子，不僅能通過調控席夫堿反應等自聚過程來實現穩定界面的包覆，還能作為金屬有機框架材料原位礦化生長的關鍵成核位點。
在此基礎之上，他們將把無定型的前驅體涂層涂層、和結晶的金屬有機框架材料進行有效結合，從而在多種類型基底材料表構建了手性防污涂層。
進一步地，課題組針對涂層的游離細菌殺滅、生物被膜形成抑制、成熟生物被膜驅散均等功能進行詳細評估。
并通過組學和材料學等多學科交叉方式，探討了手性金屬有機框架材料的防污機理，同時還利用 RNA 測序轉錄組學證明手性氨基酸具有獨特的生物被膜驅散機理。
在細菌生物被膜的基礎之上，他們又研究了防海洋微藻的粘附能力，結果發現手性金屬有機框架材料具有獨特的光致發光特性。
而且它的發光波段恰好處于能夠有效抑制微藻定殖的波段范圍內，故能讓協同防污效果得到進一步提高。
（來源：Advanced Materials）
“瞬間就出現了藍色沉淀”
據李祥宇介紹，研究伊始他和同事曾想設計抗菌元素和手性氨基酸整合的金屬有機框架材料結構。
在材料的制備驗證中，他們將氯化銅溶液滴加到手性甲硫氨酸溶液之中，瞬間就出現了藍色沉淀。
通過后續的形貌表征和組成表征，課題組確定了本次材料的金屬有機框架材料屬性。
期間也發現了不少有趣現象，比如通過改變反應物比例、溶劑、溫度、pH 等反應條件，他們發現產物會同步地發生顏色變化。
這激發了他們進一步深入研究的熱情，于是該團隊收集了各種反應條件下的產物。
并對其進行掃描電鏡觀察，借此發現不同反應條件下的產物結構，既有二維納米片狀、也有花瓣狀納米團簇。
（來源：Advanced Materials）
通過此，他們針對手性氨基酸金屬有機框架材料形貌實現了精確調控。
與此同時，他們也產生了一個疑問：形貌結構演變的過程和原理是什么？
抱著刨根問底的態度，課題組針對整個反應過程進行實時監控，結果觀察到了金屬有機框架材料從不完全球體的錐形片層結構、到各向同性納米團簇的定向生長過程。
也正是這一過程，為他們打造手性氨基酸金屬有機框架材料體系提供了有力支撐。
通過此，他們成功構建出基于銅離子和 D 型甲硫氨酸體系的全新金屬有機框架材料，并采用金屬多酚網絡，得以在任何基底表面都能實現普適化構筑。
進一步地，該團隊擴展了手性氨基酸配體體系，發現這一設計思路能夠適用于多種手性金屬有機框架材料的構筑。
最終，他們建立了基于氨基酸的新型防污金屬有機框架材料的制備策略。
日前，相關論文《可用于自激活和可持續生物污垢緩解的堅固型手性金屬有機骨架涂層》（Robust Chiral Metal–Organic Framework Coatings for Self-Activating and Sustainable Biofouling Mitigation）為題發在 Advanced Materials（IF 27.4）。
東北大學博士生于智群和李祥宇教授是共同一作，李祥宇和東北大學徐大可教授擔任共同通訊作者 [1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Materials）
目前，他們正在優化可用于實際海域的防污涂層配方工藝，并已取得不錯的效果。另外，也打算與其他學科的學者開展合作，探索手性金屬有機框架材料在醫學等領域的應用。

參考資料：1.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407409
運營/排版：何晨龍

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