细菌生物膜作为一种高度组织化的群落形式，广泛存在于自然和医疗环境中，其形成不仅加剧了感染的复杂性，还导致了抗生素治疗效果的下降和医疗器械相关感染的增加。预防生物膜的建立，尤其是在植入式医学设备与工业设备表面，已成为公共卫生与材料科学领域的重大挑战。近年，科学家们逐渐认识到，除了化学修饰外，材料表面的物理形态——尤其是微观及纳米级的表面拓扑结构——对细菌的附着和生物膜形成具有深远影响。通过对这些微观表面形态的系统性组合筛选，有望开发出具有天然抗菌性能的新型材料，为抗生物膜策略开辟全新路径。微观拓扑结构以其细微的几何特性影响着细菌的迁移、附着和群体行为，从而调控生物膜的初始阶段和发展进程。基于此理念，研究人员设计了包含数千种随机组合的微结构拓扑阵列——TopoChip，以大规模、高通量的方式筛选具有抗生物膜潜力的微观形态。
TopoChip包括由三种基本原始形状（三角形、圆形和矩形）构成的各种独特排列组合，覆盖从大而光滑到角度分明、间距不同的微柱特征。实验采用了不同类型的细菌，包括具备鞭毛的假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）及无鞭毛的金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus），通过比较它们在各种拓扑结构上的附着程度与生物膜形成情况，揭示了细菌表面行为与拓扑特征之间密切的关系。结果显示，特定微观拓扑形态能够将细菌的附着量相比平坦表面降低多达15倍，显著抑制生物膜的形成。更为重要的是，机器学习技术的引入为分析和预测细菌对不同微结构表面附着反应提供了强大工具。研究人员利用随机森林算法对从TopoChip获取的242个拓扑特征参数进行甄别，避免特征冗余后筛选出68个关键描述符，结合实验数据训练模型，为细菌附着行为提供了精确预测。这些模型揭示，影响细菌附着的关键参数包括拓扑特征的面积覆盖度、特征之间的最大内切圆半径以及特征的最大尺寸等。
这一发现助力于建立简洁但有效的设计准则，即通过优化表面结构的大小、间距及覆盖比例，定向制造出抗菌效果卓著的材料表面。 进一步的细胞追踪实验展示了不同表面拓扑对细菌游动行为的深刻影响。研究表明，假单胞菌在抗附着的微凸结构间出现明顯的受限运动，类似于紧密空间中试图“逃离”的表现，游动路径趋于线性，有效阻止了细菌在表面稳定定植。而相较于亲附着结构和平坦表面，细菌更易停留且活跃扩散，促使生物膜形成。细菌感知机制的探究凸显了群体间通信——尤其是基于甾复环谷氨酸信号（quorum sensing, QS）的调控——在应对不同表面结构中的关键作用。通过基因敲除实验发现，失去rhlI和rhlR基因的假单胞菌无法通过产生润湿性表面活性剂鞘脂类（rhamnolipids）实现自润滑表面，从而在抗附着微观拓扑上仍能形成生物膜。
相反，补偿缺失基因或人工添加相应 QS 信号分子N-丁酰-同型半乳糖内酯(C4-HSL)则恢复了抗性，证实了QS介导的鞘脂产生是维持抗生物膜微结构特性的关键因素。鞘脂类不仅作为生物膜发育的重要调控因子，亦兼具润滑及抗附着功能，能够通过自润滑效应减少细菌在复杂微结构中的黏附强度，阻断生物膜的不可逆组建。该机制构成了微观拓扑与生物化学信号互补合作的典范。值得注意的是，这些抗附着微结构的抗菌效应不仅限于实验室条件，在体内异物感染动物模型中同样表现出显著的抗菌能力。经亚皮肤植入的聚氨酯材料（PU），通过拓扑微结构设计的拓扑单元保持自身形态完整且显著抵御假单胞菌的定植。免疫组化染色进一步确认，在抗附着拓扑单元的表面，细菌数量大幅减少，而宿主细胞的迁移及定植反应似乎尤为活跃，提示这种表面结构设计或有助于激活有益的宿主防御机制，从而阻断感染发展。
医学应用前景方面，微观拓扑结构提供了一种非化学、不可溶出且具有长效稳定性的抗菌策略。通过表面结构调控即可实现对多种类别病原菌的抑制，且适用范围涵盖已获批使用的多种聚合物材料。相比传统含抗生素涂层或药物缓释材料，其无抗药性和渐变性的优势明显，大幅降低了细菌耐药性的发生风险。此外，精确设计的微观拓扑不仅不会影响材料的基本物理化学性能，反而通过促进宿主细胞的积极响应，有望提升医疗植入物的整体生物相容性和免疫调节性。未来，结合人工智能驱动的材料设计平台，基于大量实验数据和深度学习模型优化，将进一步拓宽抗生物膜微观结构的设计空间与功能谱系，实现从概念验证到临床转化的跨越。这一领域的深度研究也将推动我们对细菌表面敏感性、群体行为和生物膜动力学的理解，促进微结构生物界面科学的发展。
总的来说，基于组合微拓扑结构的生物膜抑制策略成功整合了微尺度几何学、微生物学与计算科学，为防控医疗器械感染和工业生物污染提供了有力新工具。它详细阐释了微观地形如何通过机械约束及信号调控，改变细菌表面感应与附着过程，进而阻碍生物膜的形成。通过持续优化拓扑参数并深入解析分子机制，未来有望实现各类材料的智能化抗菌设计，显著增强人类健康安全保障与工业设备的运营效率。
