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前瞻洞察|双光子聚合3D打印仿生微结构实现表面功能化以抑制细菌生长
发布时间:
2026-01-22
引言：在生物材料与抗菌技术交叉领域，仿生微结构凭借天然生物表面（如蝉翼、鲨鱼皮、荷叶）固有的物理抗菌特性，成为解决化学抗菌剂毒性残留、物理抗菌手段适用性局限的关键方向。然而，当前仿生表面抗菌技术多依赖水热合成、电化学沉积等传统方法，仅能在金属、硅等特定平面基底上实现，难以适配日常场景中常见的塑料、玻璃及曲面基底，限制了其实际应用范围。2025年3月，Wentao Zhu等人首次利用双光子聚合（Two-photon Polymerization,2PP）3D打印技术，在平面/曲面的玻璃、塑料（如PETG）基底上构建仿鲨鱼皮微条纹阵列，通过物理结构设计实现高效抗菌。相关研究以“Two-photon polymerization 3D printing of biomimetic microstructures for functionalizing surfaces to inhibit bacterial growth”为题，发表在权威期刊《Chemical Engineering Journal》上。
摘要：细菌在物体表面的滋生会引发感染、腐蚀等问题，传统抗菌策略（高温、紫外线、化学涂层）存在适用性窄、生物安全性差等局限。天然生物表面的微纳结构具备物理抗菌能力，为开发温和抗菌技术提供了灵感，但现有制备方法难以突破基底材料与形态的限制。本研究提出一种基于双光子聚合3D打印的仿生微结构制备策略，在不同材质（日常使用的玻璃或塑料）的平面或曲面基底上均可构建精细的抗菌微观结构。研究人员以变形链球菌为模型菌种，通过在其微结构表面进行细菌培养，验证了表面的抑菌性能。该策略可为隐形矫治器基底表面提供抗菌能力，增强此类正畸器械在维护个人口腔卫生方面的适用性和便捷性。此外，该策略也为定制化、便捷安全的表面灭菌需求提供了日常及工业应用新思路。
研究人员以鲨鱼皮抗菌微结构为原型，设计由高度3μm、宽度2μm、间距2μm、长度4-16μm的平行微条纹组成的阵列结构，通过双光子聚合技术在PETG塑料、玻璃的平面及曲面基底上精准制备。采用变形链球菌（口腔致病菌）为模型，通过菌落计数（colony-forming unit,CFU）、结晶紫染色、荧光染色等方法评估抗菌性能，结果显示：仿生微结构表面在8小时内可抑制90%以上细菌增殖，24小时后仍保持80%的抑制率，且对细菌活力具有持续影响——从微结构表面回收的细菌在平板培养中形成的菌落数仅为光滑表面的1/5以下。将该策略应用于隐形矫治器表面改性，在曲面矫治器基底上成功构建出了仿生微结构。模拟口腔环境测试表明，改性后的矫治器与牙齿模型接触24小时后，两者表面细菌覆盖面积均不足20%，显著低于未改性组（80%以上）。同时，CCK-8细胞毒性测试显示，打印所用IP-S树脂及改性矫治器对人角质形成细胞（human keratinocytes,HaCaT）的存活率无显著影响（接近90%），证明其生物安全性。
图1 双光子聚合3D打印实现特定表面抗菌微结构定制
（A）仿鲨鱼皮抗菌微结构的微条纹阵列设计图，微条纹宽度2μm、高度3μm、间距2μm，长度分别为4μm、8μm、12μm、16μm。
（B）PETG基底上制备的仿鲨鱼皮微条纹阵列光学显微镜图（插图为实物照片）。
（C）PETG基底上微条纹阵列的扫描电镜（SEM）图像。
（D）通过扫描与数字重建获取特定表面（如曲面）形态的流程示意图。
（E）在曲面上制备仿鲨鱼皮微条纹阵列的示意图与实物照片。
（F）在（E）中曲面不同位置（i、ii、iii、iv）微条纹阵列的SEM图像，显示各位置微结构均保持完整形态与设定参数。
图2 双光子聚合3D打印制备的仿鲨鱼皮微条纹阵列在PETG表面的抗菌性能
（A）变形链球菌在仿鲨鱼皮微条纹阵列表面增殖受限的SEM图像（插图为局部放大图）。
（B）16小时培养后，不同表面形态基底上变形链球菌的结晶紫染色结果。
（C）在（B）中变形链球菌增殖面积覆盖率分析。
（D）24小时培养后，从不同表面形态基底回收的变形链球菌菌落形成结果。
（E）在（D）中菌落形成数量的统计分析。数据以平均值±标准差表示；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）；ns表示无显著性差异；*p<0.05；****p<0.0001。
图3 有无3D打印微结构的特定表面24小时抗菌功能评估
（A）荧光染色显示变形链球菌在不同表面形态PETG基底上培养8小时、16小时、24小时后的增殖情况。
（B）在（A）中变形链球菌增殖面积覆盖率分析。数据以平均值±标准差表示（n=5）；采用单因素方差分析（One-way ANOVA）；ns表示无显著性差异；****p<0.0001。
图4 基于双光子聚合3D打印的抗菌表面构建策略在抗菌隐形矫治器概念验证应用中的效果
（A）示意图显示在隐形矫治器基底上制备抗菌微条纹阵列，与传统光滑表面矫治器相比可抑制细菌生长。
（B）具有起伏表面的隐形矫治器，以及通过双光子聚合3D打印在曲面矫治器基底上制备的抗菌微阵列。
（C）通过医用胶带将隐形矫治器基底（红色箭头标注）贴附在人磨牙模型上的实物图。
（D）人牙齿表面的SEM图像。
（E）人牙齿表面的原子力显微镜（AFM）图像（插图为局部放大图）。
（F）含IP-S树脂微条纹的隐形矫治器基底与人HaCaT细胞共培养后的细胞毒性测试结果。
（G）贴附未改性隐形矫治器基底的牙齿模型表面结晶紫染色结果；
（H）贴附仿生微结构隐形矫治器基底的牙齿模型表面结晶紫染色结果；
（I）对应表面变形链球菌增殖的SEM图像（插图为未改性矫治器基底表面）。
（J）对应表面变形链球菌增殖的SEM图像（插图为微结构矫治器基底表面）。数据以平均值±标准差表示（n=5）；采用非配对t检验；ns表示无显著性差异。
该研究团队以变形链球菌为模型菌，验证了微结构表面在24小时内对细菌增殖的抑制率超80%，并将该技术应用于隐形矫治器表面改性，在模拟口腔环境中实现了牙齿与矫治器双表面抗菌。同时，该研究团队通过HaCaT细胞毒性测试证明其具备良好的生物相容性，为医疗设备（如矫治器）、日常用品的表面抗菌功能定制提供了高效、安全的解决方案，有望推动物理抗菌技术在临床及工业场景的广泛应用。
文章来源：Zhu W,Huo F Y,Cao L M,et al.Two-photon polymerization 3D printing of biomimetic microstructures for functionalizing surfaces to inhibit bacterial growth[J].Chemical Engineering Journal,2025,511:161907.
文章网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725027330
DOI:https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.161907
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