细菌通过在各种表面上形成生物膜而展现出强大的适应能力，这种生物膜在医疗器械和工业设备中引发了严重的感染和污染问题。生物膜的形成过程复杂且具有强烈的耐药性，使传统的抗菌策略面临巨大挑战。近年来，科学家们逐渐发现在表面微结构层面进行精细设计，可以有效调控细菌的附着和定殖行为，从而抑制生物膜的形成。微观拓扑结构，即微米尺度下表面形貌的精细设计，成为阻止细菌形成生物膜的前沿研究方向。通过组合生成多样化的微观拓扑形态，科学家们得以筛选出具有潜在抗菌性能的表面结构，为生物膜的控制开辟全新思路。近期，研究团队利用TopoChip技术，开展了包含2176种不同几何形状组合的微观拓扑库的无偏筛选，成功发现了一系列能显著降低病原菌附着能力的微观拓扑。
这些设计主要基于基本的三角形、圆形和矩形单元，经过随机组合形成不同尺寸、间距以及排列方式的微结构。在体外实验中，针对青铜假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）、金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）等多种与医疗器械相关感染密切相关的细菌病原体，筛选出的部分拓扑结构的细菌附着量相比平整表面降低了15倍以上。这一发现不仅突破了传统抗菌涂层依赖化学药剂的局限，同时减少了抗生素耐药发生的风险。为了深入揭示微观拓扑如何调控细菌行为，研究采用了多种先进分析方法，包括单细胞追踪技术和分子遗传学手段。观察发现，青铜假单胞菌在遇到抗粘附微观拓扑时，其游动行为展现出明显差异：细菌被限制在微细通道中，表现出受限的线性运动，这种运动特征有助于其逃离或避免强制附着。更为重要的是，研究发现细菌的群体感应（Quorum Sensing，QS）系统在其中发挥了关键作用。
通过敲除调控Rhl系统的基因（rhlI或rhlR），细菌失去了生成表面活性剂——鼠李糖脂的能力，导致其在抗粘附拓扑表面的附着量得以恢复。补充外源性的N-丁酰-同源半胱氨酸内酯信号分子可抑制该突变菌株的附着，进一步证明QS介导的鼠李糖脂产生是抗生物膜形成的重要机制。该现象被称为“空间限制诱导的自润滑作用”，即细菌在特定微结构环境中通过衰减附着增强自身的润滑性能，从而降低牢固贴附，阻断生物膜的不可逆建立。动物模型实验也印证了这一机制的有效性。在小鼠体内外科植入异物感染模型中，携带抗粘附微观拓扑的材料表现出显著的抗菌优势，与平坦或促附着结构相比，青铜假单胞菌的积累明显减少，显示出生物膜形成的有效抑制。这表明，简单的微观拓扑设计能够在复杂的生理环境中成功发挥抗感染作用，为医疗器械表面设计提供了极具前景的替代方案。
除青铜假单胞菌外，其他具有代表性的病原菌如变形杆菌（Proteus mirabilis）、不动杆菌（Acinetobacter baumannii）等也表现出类似的依赖拓扑形态而改变附着行为，显示出抗粘附微结构在多种细菌类型中的广泛应用潜力。通过机器学习技术，研究团队进一步筛选和识别了影响细菌附着的关键微观拓扑特征。结果揭示，特征面积覆盖率、微结构之间的间隙大小以及最大特征半径是决定细菌附着程度的重要参数。较高的特征覆盖率和较小的间隙尺寸显著降低了细菌的附着性，而这三项参数的组合可作为未来抗菌表面设计的基准。相较于传统的表面粗糙度指标，机器学习提取的形态描述符更精准地预测了生物膜的形成趋势，展现出强大的表面设计指导作用。值得注意的是，这些微观拓扑对细菌的抑制效果并未因不同的材料化学性质而显著改变。
在聚苯乙烯、聚氨酯及环烯烃共聚物这三种生物医用材料上均展现出类似的抗菌性能，表明微观结构对细菌行径的调控具有较强的材料独立性，有利于其在临床材料中的广泛应用。综合来看，本研究阐明了微观拓扑结构阻止细菌入侵泊位的多维机制，既涉及物理限制细菌运动的空间效应，也涵盖细菌通过群体感应产生润滑剂调节附着的生化途径。在生物医学领域，这种依赖表面微结构的非化学抗菌策略，具有极佳的持久性和安全性优势。未来，将微观拓扑设计纳入医疗器械表面制造流程，有望显著降低生物膜感染率，减少抗感染药物的依赖，改善植入体的生物相容性和功能寿命。此外，研究中发现微拓扑对宿主免疫细胞的影响，尤其在诱导有利的免疫反应方面，提供了探索表面设计新维度的新思路。总体而言，利用高度组合的微观拓扑库进行大规模筛选，结合先进的机器学习分析和深入的分子机制探讨，标志着抗生物膜剂开发迈出重要一步，为解决医疗设备相关感染难题开辟了创新的路径。
这种方法不仅实现了设计驱动的抗菌表面发现，还为理解细菌与材料表面复杂交互提供了全新视角。展望未来，结合纳米技术、高通量筛选和生物智能系统，将推助下一代智能抗菌材料的快速开发，助力医学和工业领域实现更安全和可持续的解决方案。
