含铜不锈钢已被证实能够有效的降低细菌感染所带来的风险。然而，关于其抗菌机制仍存在争议。因此，我们选择三种不同铜含量的430铁素体不锈钢，通过细菌灭活的方法，从材料学和生物学两个方面进行深入的研究。电化学和抗菌实验结果表明，铜含量的增加同时提高了430不锈钢的耐蚀性能和抗菌性能。此外，通过干法接种技术发现大肠杆菌在430含铜不锈钢表面可以快速的被灭活。XPS结合离子螯合实验证明，由于Cu (I)可以促进产生更多的活性氧(ROS)，因此在接触杀灭过程中Cu (I)比Cu (II)起着更为重要的作用。
进产生更多的活性氧(ROS)，影响大肠杆菌细胞代谢，从而导致细菌灭活，因此在接触杀灭过程中Cu (I)比Cu (II)起着更为重要的作用。
图1在3.5% NaCl溶液中430 不锈钢和430-Cu不锈钢的动电位极化曲线(a)及阻抗图Nyquist (b)，Bode (c); EIS拟合的等效物理模型和相应的电路模型(d, e)。
图1(a)中Cu元素添加后自腐蚀电位明显正移，同时对极化曲线进行腐蚀参数的计算，发现与430不锈钢自腐蚀电流icorr相比，430-Cu不锈钢随着铜含量的增加icorr值也有所提升，说明当材料发生腐蚀反应时，430-Cu不锈钢则腐蚀速率更慢。此外，图1(b)的Nyquist中的圆弧也随着Cu元素的添加随之变大，表明极化电阻增强，从而降低腐蚀速率，同时EIS图1(b-d)的拟合结果也与以上结论相符。综上，说明Cu元素的添加可以改善430不锈钢的耐腐蚀性能。
图2 430-Cu不锈钢与E. coli共培养24 h后的抗菌率 (a);表面相应菌落数 (b)
图2(b)中430为对照组平板，可见其表面覆盖大量生长状态良好的E. coli菌落，而实验组430含铜不锈钢表面的菌落数量随着铜含量的增加都有了相应的减少。图2(a)是根据图(b)中的菌落数计算所得的抗菌率，结果显示随着铜含量增加，其抗菌率从开始的60%增长到99.9%。
图3 430-Cu不锈钢通过干/湿法与E. coli共培养不同时间后的抗菌率(a);共培养2 h后样品表面菌落图(b)
图3(b)中通过对比430-Cu不锈钢培养基表面E. coli菌落数量，发现接触2h后干法技术明显优于湿法技术。图3(a)是基于图(b)中的菌落数计算所得的两种技术不同时间的抗菌率。结果显示干法技术的抗菌率始终高于湿法技术，当共培养时间到2h时，干法技术的抗菌率可达99%。
图4 与E. coli共培养2 h材料表面附着的细菌形貌的SEM图 (a-d);下图为红色部分的放大区域;不同方法共培养2 h材料表面细菌附着状态图(e-f)
图4(a)干法技术共培养的430-Cu不锈钢表面的E. coli呈高度分散分布，且有微缩甚至破裂状态。而通过对比发现与干法技术相比，通过湿法技术共培养的E. coli在样品表面都处于相对良好的状态如图4(b)、(d)。同样，从图4(e-f)活/死染色的结果可以明显看出，430不锈钢样品表面几乎都是绿色荧光，表明E. coli的细胞膜未受损。而430-Cu不锈钢表面的红色荧光表明430-Cu不锈钢表面E. coli的膜结构已被破坏。
图5 430-Cu不锈钢在不同螯合剂中与E. coli接种不同时间的抗菌率 (a)，材料表面菌落图 (b);不同螯合剂中干法与E. coli共培养2小时，430-Cu不锈钢表面的Cu 2p3/2的XPS光谱 (c) 及Cu LMM的AES结果 (d): (A) PBS，(B) PBS EDTA，(C) PBS BCS，(D) PBS EDTA BCS.
图5(b)中显示与使用PBS相比，随着螯合剂的加入430-Cu不锈钢培养基表面的菌落数量都有了不同程度的增加，图5(a)是基于图(b)中的菌落数计算所得的相应的抗菌率。结果显示螯合剂的加入对E. coli的灭活有一定的抑制作用，而且添加BCS时的抗菌率低于添加EDTA的抗菌率，说明在接触杀菌过程中Cu (I)比Cu (II)发挥更重要的作用，同时图5(c)(d)的拟合结果进一步验证了此结论。
图6 不同方法共培养2 h后材料表面E. coli细胞内ROS的荧光染色图像
图6(a)阳性对照组样品表面出现大量绿色荧光，说明在Rosup试剂的作用下样品表面可以产生大量ROS。图6(b)、(c)结果显示使用湿法接种的430-Cu不锈钢表面仅存在少量绿色荧光，说明此时ROS处于相对较低的水平。相反，干法接种的430-Cu不锈钢表面仍存在大量绿色荧光，表明在430-Cu不锈钢表面也同样存在大量ROS。此外， 430不锈钢材料表面几乎无任何绿色荧光产生。
(1) 430-Cu不锈钢中Cu元素的添加改善了材料的耐蚀性能以及抗菌性能。
(2) E. coli与430-Cu不锈钢表明面充分接触有利于细菌的快速灭活，说明接触杀菌是430-Cu不锈钢的主要抗菌机制。
(3) 在接触杀菌过程中，430-Cu不锈钢表面Cu (I)比Cu (II)发挥的作用更大。Cu离子在价态转化过程中伴随着大量ROS生成，影响E. coli的代谢，从而进一步加速细菌灭活。
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