1. 研究背景

水体中致病微生物污染已成为全球公共卫生安全的重要威胁之一。传统化学消毒方法虽应用广泛，但易产生有害副产物；更严峻的是，由此带来微生物耐药性的不断蔓延，威胁着生态环境的安全性。基于纳米技术和活性氧机制的无机抗菌材料，尽管安全性和持久性好，但杀菌速度较慢，并存在金属离子外溢等风险。我校功能高分子材料团队利用其在纳米技术和抗菌材料领域的长期学术积累，受自然界蝉翼、蜻蜓翼、猪笼草等微纳结构物理/机械杀菌功能的启发，提出仿生纳米材料物理杀菌新机理（Sci. Total Environ., 2020, 738: 139714；Applied Surface Science, 2025, 703: 163441；RSC adv., 2019, 9(48): 27904-27910），并得到国家自然科学基金支持，发展出基于纳米针尖刺破、纳米刀片切割、应力撕裂、纳米电穿孔等物理破坏机制的仿生纳米杀菌新方法，研究成果先后参与空间站技术试验和专项设备研制任务。

2. 成果概述

为了进一步提高物理杀菌效果，提升水体微生物杀灭速度，受仙人掌叶片多重非线性、非连续结构启发，提出通过晶体界面工程策略构筑仿“仙人掌”ZnO纳米杂化材料(Cactus-mimetic ZnO nanohybrids)，利用“类仙人掌”纳米杂化结构独特的边缘锯齿状和垂直面尖刺结构有机组合，显著提升了纳米材料的物理杀菌效率。在实验设置的含菌水中实现了超快速细菌灭活——接触1分钟内，该纳米材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌（10⁶CFU/mL, 300 μL）达到99.99%的杀菌效率，显著优于单独的ZnO纳米片或纳米针（阵列）。此外，课题组还建立了机械杀菌活性评价平台，为仿生微纳结构物理/机械杀菌的实际应用提供稳定测试平台。相关研究结果以“Cactus-Mimetic ZnO Nanohybrids: Topography-engineered High Efficiency of Mechanical Bactericidal Activity”为题发表在化学工程领域TOP期刊《Chemical Engineering Journal》上，西南交通大学化学学院博士研究生邓伟为第一作者，周祚万教授、徐晓玲副教授和张海助理教授为共同通信作者。审稿专家认为，本工作为开展多机制协同灭菌机理、杀菌抑菌材料等研究提供了新的设计范式和技术方法，为水消毒和感染控制应用提供了可持续解决方案。

3. 文章插图

图1. 仿“仙人掌”ZnO纳米杂化材料的制备和杀菌实验流程

图2. ZnO纳米片及仿“仙人掌”纳米杂化材料的结构分析

图3. 杀菌活性评价平台及仿“仙人掌”ZnO纳米杂化材料物理/机械杀菌性能

图4. 仿“仙人掌”ZnO纳米杂化材料的物理/机械杀菌机理

本工作得到国家自然科学基金（No. 51772251）四川省科技计划项目（Nos. 2025ZDZX0122 和 2024ZYD0211）和空间站工程航天技术试验领域项目（No. 2019HJS002）等经费支持。同时感谢西南交通大学分析测试中心提供的透射电镜（TEM）、X射线衍射分析（XRD）和X射线光电子能谱分析（XPS）等仪器分析支持。

文章信息：Chemical Engineering Journal 544 (2026), 179044

文章连接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.179044