表面涂层旨在减轻普遍存在的生物污损，预示着复杂生物环境中表面保护的新时代已经到来。然而，尽管使用了杀菌剂，现有策略仍受到持续和反复出现的生物膜附着问题的困扰。

2024年9月5日，东北大学王福会教授、徐大可教授（2024年度国家杰出青年科学基金获得者）、李祥宇副教授团队在Advanced Materials期刊发表题为“Robust Chiral Metal–Organic Framework Coatings for Self-Activating and Sustainable Biofouling Mitigation”的研究论文，东北大学材料学院于智群为论文第一作者，李祥宇副教授、徐大可教授为论文共同通讯作者。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202407409

该研究发了一种手性金属有机框架（MOF）涂层，该涂层具有保形微结构，可实现一种新的防生物污损模式，即自发生物膜分解后消灭细菌。

手性MOF的防生物污损涂层示意图 图源：Advanced Materials

设计了一种简单通用的金属-多酚网络（MPN），可将杀菌Cu²⁺和抗生物膜D-氨基酸配体的MOF纳米盔甲牢固地锚定在不同材料类别和表面拓扑的各种基底上。结合多种手性氨基酸，使所得到的涂层具有广泛的生物膜扩散信号，促进铜催化的化学动力学反应和固有的机械杀菌活性。

RNA测序转录组学分析表明，这种协同机制产生了前所未有的抗生物污染功效，增强了广谱抗菌活性，阻止了生物膜的形成，并破坏了成熟的生物膜。此外，螯合定向的非晶/晶体涂层可以激活光致发光特性，从而抑制微藻生物膜的沉降。该研究为手性增强的抗菌行为提供了一个独特的视角，并为开发适用于各种应用的下一代抗生物污染涂层开辟了一条合理的途径。

图源：Advanced Materials

该研究开发了一种通用的螯合定向策略，用于在环境条件下合成坚固的基于手性MOF的防生物污染涂层。通过MPN的生物激发聚合和原位D-氨基酸集成矿化，将所得涂层设计成无定形/晶体异相结构。由单宁酸（TA）、聚乙烯亚胺（PEI）和Cu²⁺组成的MPN不仅通过模仿贻贝足蛋白的凝固过程赋予了不依赖表面的锚定能力，而且还具有丰富的成核位点，可以有效地固定MOF。

该研究提出，对三元组成的精确控制能够解决与快速和不受控制的Schiffbase/Michael加成反应相关的严重聚集和生长不良的问题。D-氨基酸作为功能有机亚基固定在中间粘附层上，与Cu²⁺周期性地组装成MOF纳米材料。这种结构骨架提供了一种概念上不同的方式来增强D-氨基酸的物理化学稳定性和发挥其生物学特性。

更重要的是，局部手性微环境可以与抗菌元素位点协同作用，获得前所未有的抗生物污染性能，提供对细菌和藻类的广谱抗性，抑制生物膜的形成，并根除成熟的生物膜。系统实验和RNA测序转录组学分析表明，独特的抗生物污染途径包括纳米结构的机械杀菌作用、高毒性羟基自由基（·OH）引起的DNA氧化损伤、手性依赖的生物膜调节和荧光诱导的藻类治理。

该研究提供了一个具有“即配即杀”特征的协同防污模式的范例，并揭示了高度自适应手性MOF衍生涂层在抗菌、抗感染和其他涉及生物膜的生物医学领域的潜在应用。

MPN-DMOF的制备工艺及表征 图源：Advanced Materials

总之，该研究首次展示了一种顺序的“即配即杀”抗生物污染方法，用于开发手性MOF涂层，将杀菌效果和生物膜分散能力结合起来。定制跨多尺度界面的MPN自组装，为螯合介导的MOF矿化提供了一个坚固且可扩展的粘合剂平台，具有与表面无关的锚定能力。

包裹在MPN中的Cu²⁺可以温和地、可控地浓缩一系列D-氨基酸作为MOF构建块的配体，从而形成具有可调结构对称性的分级异相构型。

由此产生的纳米装甲几何结构允许优越的细菌机械失活，从而增强氧化还原活性铜催化的类芬顿反应所产生的ROS的破坏作用。更重要的是，MPN-DMOF保留了D-氨基酸固有的天然功能，从而抑制了生物膜的形成和成熟生物膜的脱离。

此外，涂层利用独特的蓝色荧光来发出防止藻类的信号，在复杂的生物条件下（如海洋环境）加强表面保护。在这种协同作用下，MPN-DMOF在不使用危险化学品和额外能量输入的情况下，表现出了显著的广谱生物防污性能，优于采用单一抗生物防污模式的传统涂层。该项研究为稳健、可持续和低成本的抗生物污染技术提供了一个创新范例，这可能为环境修复、生物医学、生物催化等领域提供选择或灵感。