本技术介绍了一种新型pH响应型纳米柱智能抗菌涂层,该涂层专为不锈钢表面设计。通过将聚丙烯酸(PAA)与噬菌体衍生的内溶素Lys81结合,形成一种具有刺激响应性的聚合物涂层,有效提升抗菌性能。
背景技术
细菌病原体对食品的污染和交叉污染是全球关注的主要问题。据估计,每年约有6亿人感染食源性疾病,导致420,000人死亡。最近的一项研究表明,与微生物危害的交叉污染占所有食品安全损失事件的28.6%。在食品工业中,交叉污染通常会影响食品接触表面(例如,传送带、切割工具和加工设备)。因此,有必要开发和研究防止食品接触表面和新鲜农产品之间交叉污染的方法。
仿生纳米柱结构表面是一种模拟天然纳米柱结构的机械杀菌表面。不同于传统的抗菌剂,这类抗菌表面通过物理机制与细菌发生相互作用,在作用本质上与抑制细菌的某些重要蛋白质、DNA及RNA合成的抗生素不同,使得细菌耐药性难以发展。除此之外,一些表面纳米形貌会影响真核细胞的在表面的附着和迁移行为,并且由于细菌与真核细胞在体积大小以及在纳米结构表面的粘附机制不同,对细菌可以产生物理杀伤作用的一些纳米结构,反而对真核细胞具有优异的相容性,这种“选择性杀灭”特性使得纳米结构表面具有广阔的应用前景。
聚丙烯酸(PAA)是一种具有ph响应特性,安全无毒、成本低的食品级聚电解质。在低pH值下,PAA呈现致密(但未完全塌陷)的球状构象。然而,随着pH值的增加,发生电离,聚合物膨胀成完全溶剂化的开路线圈构象。PAA能以紫外照射的方式,通过表面引发光诱导的自由基聚合控制厚度及聚合程度。
丙烯酸2-羧乙酯(PCEA)是一种重要的高分子材料,属于丙烯酸酯类聚合物,由丙烯酸和2-羧乙酸通过聚合反应形成的共聚物。其化学结构中含有多个丙烯酸酯单元,使其具有良好的反应性和可加工性。此外,PCEA具有低毒性和良好的生物相容性。PCEA的高分子刷表面可通过UV诱导的光接枝聚合制备。使用EDC和NHS活化高分子刷中特有的羧酸基团,可以与蛋白发生酰胺反应。
噬菌体内溶素是一类由噬菌体(病毒)编码的酶,能够降解细菌细胞壁中的肽聚糖(PG)层。然而,由于革兰氏阴性菌的外膜(OM)阻碍了内溶素与肽聚糖层的接触,因此革兰氏阴性菌通常比革兰氏阳性菌对抗菌物质具有更强的抵抗力。此外,噬菌体衍生的内溶素通常体积较大,无法穿透外膜,只能与细胞毒性外膜通透剂(如EDTA或氯仿)联合使用。因此,寻找安全无毒的应用方式显得尤为重要。
本发明使用ZnO纳米柱阵列设计了一种在不锈钢上构建的pH响应智能抗菌涂层。这种涂层不仅作为一个自清洁平台来解决传统仿生纳米柱表面寿命差的问题,而且还利用pH响应外层来可逆地暴露和掩盖内溶素内层,纳米柱也能帮助内溶素突破外膜屏障发挥抑菌性能。这种设计实现了不可释放的灭菌和死菌去除的循环过程。此外,PAA可以作为防止噬菌体内溶素耗竭的保护层。通过不同组分的协同作用构建了具有杀菌释放功能的智能抗菌表面。由于纳米柱和内溶素的低耐受性,这种抗菌涂层在应用于食品接触设备时可减少细菌交叉污染。
实现思路