材料和電之間存在密切的關(guān)聯(lián)拧抖。如基于摩擦起電的現(xiàn)象，通過(guò)選擇合適的材料和電路設(shè)計(jì)罚斗，可成功制備將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的摩擦納米發(fā)電機(jī)徙鱼。而將電場(chǎng)作用于材料時(shí)，也可對(duì)材料的多方面性質(zhì)產(chǎn)生影響针姿，如改變材料的電荷數(shù)量和電荷分布袱吆。與此相比，不那么為人所知的是距淫，生物細(xì)胞也在時(shí)刻進(jìn)行著密集绞绒、精細(xì)、活躍的電活動(dòng)榕暇。細(xì)胞維持新陳代謝所必需的能量的產(chǎn)生蓬衡，就是通過(guò)電子在呼吸鏈上的一系列蛋白之間的傳遞所實(shí)現(xiàn)的。真核生物細(xì)胞的呼吸鏈相關(guān)蛋白位于線(xiàn)粒體內(nèi)彤枢，而微生物如細(xì)菌的呼吸鏈相關(guān)蛋白位于細(xì)胞膜上狰晚。因此，微生物對(duì)于外界的電擾動(dòng)更為敏感须彼。

很多植入材料可通過(guò)其表面的物理修飾或化學(xué)改性乒萝，獲得一定的抗菌性能，從而更適應(yīng)植入的需求司箫。這些修飾的作用機(jī)理都可落到“電”上想预。如在鈦基材料的表面通過(guò)離子注入的方式引入銀、鋅等納米顆粒绕众，可由于在銀瞪卜、鋅納米顆粒的周?chē)c鈦基底發(fā)生微觀(guān)的電化學(xué)反應(yīng)而使得鈦基底獲得抗菌性能肴摊。又如通過(guò)化學(xué)修飾，在材料表面修飾上帶正電荷的高分子畴文，使得材料表面的電荷發(fā)生改變碉晾，也可使原本不具備抗菌能力的材料獲得抗菌性能。再者可以引入電場(chǎng)直接作用在納米材料表面伪睬，由于納米材料的小尺寸腊尤，可以在表面形成高壓電場(chǎng)鸭僧，對(duì)細(xì)菌造成電穿孔口溃，也可造成殺菌的效果。

近日旷偿，中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了一種新的電對(duì)材料的作用方式烹俗，可以使材料獲得抗菌性能。該研究結(jié)果于5月24日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)期刊上(DOI: 10.1038/s41467-018-04317-2)萍程。

這一研究發(fā)現(xiàn)起源于納米能源所李舟課題組和王中林課題組于2017年聯(lián)合在Nano Energy上發(fā)表的一項(xiàng)研究工作幢妄，助理研究員封紅青為第一作者。在那項(xiàng)工作中茫负，他們將收集水波能的摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出的電壓蕉鸳、電流連接到修飾了氧化鋅納米線(xiàn)和納米銀顆粒的碳布電極上，并讓細(xì)菌溶液從碳布電場(chǎng)之間流過(guò)忍法。他們檢測(cè)了發(fā)電機(jī)工作提供電壓潮尝、電流時(shí)，流經(jīng)該系統(tǒng)的細(xì)菌被殺滅的情況饿序。在發(fā)電機(jī)停止工作不再對(duì)系統(tǒng)供電之后勉失，他們又持續(xù)檢測(cè)了一段時(shí)間內(nèi)細(xì)菌被殺滅的情況。他們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象：發(fā)電機(jī)停止供電長(zhǎng)達(dá)20分鐘的時(shí)間段內(nèi)原探，修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極依然對(duì)流經(jīng)它們的細(xì)菌具有很強(qiáng)的殺滅作用!而如果沒(méi)有發(fā)電機(jī)之前的供電過(guò)程乱凿，同樣的修飾了氧化鋅和納米銀的碳布電極則沒(méi)有這樣強(qiáng)的殺菌作用。由于該實(shí)驗(yàn)體系的細(xì)菌溶液只是一次性地流經(jīng)電極芯妇，通電過(guò)程中可能發(fā)生的電化學(xué)產(chǎn)物都已隨之前的溶液流走帝璃，因此斷電后的抗菌性能不是由電化學(xué)產(chǎn)物的殘留造成的，而是一種電場(chǎng)對(duì)材料的“殘余影響”造成的肃刁。研究者發(fā)現(xiàn)電極材料的電容越大(氧化鋅納米銀雙修飾>氧化鋅單修飾>原始碳布)茎陪，則這種斷電后的長(zhǎng)期抗菌性能越強(qiáng)。同時(shí)抚言，在斷電后處理的細(xì)菌胞體內(nèi)优隔，檢測(cè)到了強(qiáng)烈的活性氧信號(hào)。

在此基礎(chǔ)上芦槽，由封紅青指導(dǎo)博士生王國(guó)敏開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作棋少，納米能源所李舟課題組和香港城市大學(xué)朱劍豪課題組密切合作杯娶，對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。在這一研究中儡特，他們采用了新的抗菌體系和新的電容性電極材料：從原來(lái)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)體系改為靜態(tài)處理體系栅苞，采用基于二氧化鈦納米管的電容性材料，用碳修飾來(lái)增加材料的電容疏唾。并使用了傳統(tǒng)的直流蓄氧、交流電源來(lái)對(duì)電極材料充電并檢測(cè)斷電后電極片的抗菌性能。與Nano Energy 的發(fā)現(xiàn)非常一致槐脏，他們?cè)谛碌捏w系中也檢測(cè)到了斷電后電場(chǎng)確實(shí)賦予了原本不抗菌的電容材料以新的抗菌性能喉童，而且抗菌性能力與材料電容呈正相關(guān)。除了用之前的納米發(fā)電機(jī)供電之外顿天，使用常見(jiàn)的直流堂氯、交流電源供電都可以產(chǎn)生這樣的效應(yīng);在被處理的細(xì)菌胞體內(nèi)，同樣檢測(cè)到了活性氧信號(hào)牌废⊙拾祝基于此，他們確認(rèn)充電可以賦予原本不抗菌的電容性材料以抗菌性能是一種普適的現(xiàn)象鸟缕，他們將這一現(xiàn)象命名為“充電后的抗菌性”(post-charging anti-bacterial property)晶框。他們還發(fā)現(xiàn)，充電這一操作對(duì)碳摻雜二氧化鈦表面的生物相容性沒(méi)有產(chǎn)生任何不利的影響懂从，甚至促進(jìn)了成骨細(xì)胞在基底上的粘附和生長(zhǎng)授段。

“充電后的抗菌性”的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)，提供了一種賦予醫(yī)學(xué)植入材料以抗菌性能的新方法莫绣。例如：在傳統(tǒng)的物理策见、化學(xué)等表面修飾方法之外，人們通過(guò)單純的充電妆浅，就可以使得骨科植入材料的二氧化鈦表面獲得抗菌性蒜材，從而減少術(shù)后感染和并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。這種“充電后的抗菌性”的新方法還可以避免傳統(tǒng)物理爵缸、化學(xué)等修飾手段的負(fù)作用抖臭，促進(jìn)成骨細(xì)胞在植入物表面的粘附和生長(zhǎng)，非常有利于骨折后的修復(fù)治療晚饰。同時(shí)倾伶，對(duì)“充電后抗菌”這一現(xiàn)象的揭示，也讓人們對(duì)電窃橄、材料以及生物之間的相互作用有了新的認(rèn)識(shí)感戴，有望據(jù)此設(shè)計(jì)更多的電對(duì)材料的修飾方案以及開(kāi)發(fā)更多的用途。該現(xiàn)象深層次的機(jī)理還值得進(jìn)一步探索赵腰。此工作封紅青都癣、王國(guó)敏為并列第一作者谐歪，李舟和朱劍豪、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員王懷雨為論文的并列通訊作者瓶逃。