仿生超疏水表面在对抗真菌、细菌和病毒等微生物污染方面具有独特的优势。研究者普遍认为，超疏水基材的抗生物污染能力主要来自于截留的空气层，在固-液界面截留的空气层作为下面的基质和液体环境之间的屏障，并且可以显著减少微生物粘附。然而，一些超疏水表面被证明在某些情况下可以促进微生物的附着，但有些疏水表面则无法实现，这意味着需要更好地了解控制超疏水表面介导微生物附着能力的机制。

为此，来自吉林大学任露泉院士团队的赵杰教授联合山东第一医科大学蒋如剑副教授全面且科学的总结了表面超疏水性与微生物黏附之间的关系及超疏水表面抗微生物黏附的作用机理。本文从超疏水表面禁锢的空气层，表面粗糙度、固体表面能三个相关的因素出发，全面揭示了微生物粘附性和表面超疏水性之间的非直接相关性（图1）。

相关综述论文以“Bioinspired superhydrophobic surfaces, inhibiting or promoting microbial contamination?”为题于2023年7月4日（proof版本）发表在《Materials Today》上。

图1 超疏水表面微生物黏附行为的决定性影响因素概述

1. 微生物在表面上的粘附和增殖

特定的病原微生物，包括病毒、细菌和真菌，其形状、大小、结构类型和生命特性各不相同（图1）。因此，它们的附着机制和程序将显着不同。作者在讨论超疏水表面抗粘附性能的主导因素之前，首先介绍了这些微生物在表面上的粘附和增殖，以详细说明微生物与表面的相互作用。随后作者介绍了病毒在表面上的吸附，并介绍受污染的表面在病毒大流行传播中的重要作用，并提供细菌和真菌的粘附程序和生物膜形成。

图2 常见病原体的尺寸排列及其在表面的粘附和增殖示意图

2. 禁锢空气层对于微生物在超疏水表面附着的影响

作者在本节回顾了禁锢空气层如何影响微生物粘附的机制，以及评估抗粘附效果的计算方法。目前，一个被广泛接受的机制被总结为阻碍效应：一旦气泡被禁锢在水滴下或在浸没的情况下，就会产生坚固的空气-液体界面。由于水的高界面张力，微生物细胞不能穿透该界面。因此，当这些内聚的气泡作为表面和液体环境之间的阻碍屏障（图3）。总的来说，禁锢的空气层在防止微生物粘附方面表现出明显的有效性，但是它可能不是决定超疏水表面抵抗微生物污染能力的唯一因素，并且可能存在与超疏水表面相关的其他要素(如表面形貌/粗糙度和低表面能)来控制微生物的粘附行为。当防粘空气层被破坏或扩散到大量水中时，微生物将直接受到超疏水表面元素的影响，包括表面形貌和低表面能。

图3 通过空气层抑制微生物黏附

3. 影响微生物粘附的表面形貌或粗糙度

微生物在纳米结构表面上的抗粘附程度随尺度大小而变化，而形貌形状可能是抑制微生物在纳米结构表面上粘附的无关紧要的因素，这也解释了具有纳米结构的超疏水表面即使在没有气泡存在的情况下也能普遍有效地抑制微生物粘附的现象。因此，为了在防粘空气层消失后实现长期的微生物排斥效率，纳米级结构和微米级图案将为在超疏水表面上构建合适的抗生物污损形貌提供有用的指导（图4）。

图4 微生物对微结构表面凹陷区域的粘附偏好

4. 低表面能影响微生物的抗粘附性能

作者正在本节指出，尽管对于微生物粘附的表面自由能的分析没有统一的结论，但是热力学方法已经提供了重要的启示（图5）。在大多数情况下，超疏水表面的适当低表面能确实对微生物粘附具有预防作用。另一方面，有必要进一步了解低表面能和微生物粘附之间的复杂机制，考虑到粘附的流动性和超疏水表面与微生物细胞相互作用时低表面能的作用。

图5 基于热力学理解的典型“拜尔曲线”和表面能对微生物粘附的影响

5. 结论和展望

近年来，在使用超疏水表面对抗微生物污染(例如，病毒、细菌和真菌)方面有了巨大的发展。作者在本文系统总结了三个主要因素，控制微生物粘附在超疏水表面的阻力：禁锢空气层，表面形貌和低表面能。为了全面地解释超疏水性和微生物污染之间的关系，研究者应该综合地和分别地考虑截留空气层、表面形貌和表面能的作用。

提高超疏水表面抗生物污损能力最直接的方法是延长截留空气层的稳定性，一是从天然模板的特征结构中寻找灵感，二是利用电化学方法、热再生或分解反应。作者提出了抗生物污损超疏水表面的最佳设计是基于表面形貌以及适当范围的低表面能与固有抗粘附性能的整合，并且所得的空气禁锢能力将赋予表面有效的微生物排斥性(图6)。

图6 设计最佳超疏水表面以抑制微生物污染的路线图

最后，这篇综述全面解读了微生物污染和表面超疏水性之间的相关性，解释了为什么超疏水表面并不一定能有效抑制微生物感染。基于对空气层、表面形貌和表面能的单独和协同作用的理解，所有总结的结论将为具有增强的抗生物污损性能的超疏水表面的开发及其在处理微生物引起的表面污染中的广泛应用提供指导。