《Applied Surface Science》：Fluorohydrocarbon plasma functionalization of graphenic surfaces: descriptor-based insights into biointerface performance
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降低细菌附着率同时提升细胞相容性的氟化物等离子体石墨烯表面改性策略研究。通过C3H2F4等离子体处理在石墨烯表面形成氟化碳层，实现电子脱耦（工作函数降低约2 eV）和可控亲疏水性调整，有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌粘附（减少35-46%），并促进成纤维细胞附着与伪足延伸。密度泛函理论计算表明氟化处理显著改变表面能态密度分布，为生物医用材料表面设计提供电子调控新范式。
D. 库马尔 | S. 拉索塔 | K. 德罗日 | P. 多姆钦斯基 | P. 莱古特科 | M. 马尔泽茨 | P. 斯特尔马霍夫斯基 | Z. 马德亚 | M. 布里赫奇-沃洛赫 | J. 里什 | W. 皮斯科尔兹 | A. 科塔尔巴
雅盖隆大学化学系，格罗诺斯塔约瓦2号，30-387克拉科夫，波兰
摘要
功能化生物界面，同时促进细胞相容性和抵抗细菌附着，对于下一代生物医学设备至关重要。在这里，我们展示了使用C3H2F4对石墨烯表面进行富氟等离子体处理的方法，旨在通过电子解耦和可控的疏水性来调节生物反应。原子力显微镜和润湿性分析证实形成了一个厚度薄的氟碳层，且表面粗糙度变化很小；开尔文探针测量显示功函数降低了约2电子伏特。密度泛函理论模型将这些变化归因于氟化引起的电子解耦，从而降低了费米能级附近的态密度。生物实验表明，金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的附着减少了35-46%，同时纤维细胞的附着和突起形成得到了增强。这项研究建立了一种基于描述符的策略，通过表面电子性质和润湿性共同预测生物反应。比较分析突显了C3H2F4等离子体处理的优越性能，为生物医学应用中的“表面竞争”提供了预测性途径。
引言
基于等离子体的表面改性已成为提高生物材料性能的强大且多功能的技术[1]、[2]、[3]、[4]。由于能够精确控制表面化学和拓扑结构而不改变材料整体性质，等离子体处理已广泛应用于金属[5]、[6]、[7]、聚合物[8]、陶瓷[9]和碳基材料[10]、[11]、[12]。低温等离子体产生的活性物种（包括离子、自由基和光子）可以根据所施加的等离子体参数实现材料表面的可控功能化或蚀刻，从而精细调节与生物相互作用相关的表面性质。
在生物应用中最常用的等离子体气体包括氧气[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、氮气[17]、[18]和氨气[19]、[20]、[21]、[22]。氧气等离子体处理会在表面引入极性官能团（如羟基（–OH）和羧基（–COOH）[23]，从而增强亲水性、化学反应性以及细胞附着和增殖等反应。所有这些性质都是植入物与宿主组织整合的关键因素。同样，氮气和氨气等离子体可以提供胺（–NH2）和酰胺（=NH）官能团，进一步支持蛋白质吸附和细胞相容性。然而，尽管有这些好处，表面改性仍可能无意中增加细菌附着。亲水性和化学活性的表面可能会促进微生物的初始附着并加速生物膜的形成，这在植入物相关感染中是一个主要问题[24]。
这一困境反映了Gristina首次提出的“表面竞争”概念[25]，即宿主组织细胞与细菌对植入物表面的竞争性定殖。首先占据表面的物种往往决定了临床结果，是成功整合还是感染。因此，生物材料设计的一个关键挑战在于开发既能促进细胞附着又能抑制微生物定殖的表面[26]。
为了解决这一双重要求，基于氟的等离子体处理可以作为一种替代的表面改性策略。这种等离子体具有引入高度负电性的氟原子的独特能力，形成化学惰性和电绝缘的表面层。这种氟化表面具有低表面能、疏水性[27]和抗生物污染性，已被证明可以在多种系统中减少细菌附着，包括PTFE（聚四氟乙烯）涂层[28]、氟化钛合金[29]、[30]以及经过CF4等离子体处理的PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）[31]。与依赖杀菌剂的传统抗菌涂层不同，氟等离子体处理可能通过根本不同的机制减少细菌附着：它们通过电绝缘表面，从而阻碍细菌电子交换过程和生物膜的形成[32]。在氟源中，我们选择了C3H2F4（氢氟烯烃），因为氢氟碳化合物在等离子体作用下会发生聚合，沉积出保形的薄膜，实现可控的疏水性和导电石墨烯基底的电子解耦，同时最小化晶格损伤。高反应性的氟源（F2、XeF2、SF6、NF3）容易在碳材料上进入蚀刻模式，导致结构降解[33]、[34]、[35]。
在这项研究中，我们关注石墨烯纸这种二维碳基材料，它具有高度的表面均匀性、导电性和结构简单性，非常适合实验改性和理论建模[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。先前的研究已经确定，等离子体诱导的碳表面改性，特别是功函数和表面润湿性的变化，直接影响细菌和细胞的附着[13]、[42]。我们假设基于氟的等离子体处理将通过电隔离石墨烯表面来减少细菌附着，破坏微生物的电子转移机制，同时保持甚至增强纤维细胞的相容性。这种方法符合“首先不造成伤害”（“primum non nocere”）的基本医学原则，旨在防止术后感染而不引入细胞毒性物质，并促进自然愈合过程。通过设计既能选择性阻止细菌定殖又能支持宿主细胞整合的表面，我们旨在开发更安全、更有效的生物材料。
在我们之前的工作中，我们成功运用DFT建模在分子水平上研究了氧气[13]、[36]、[39]和氨气[42]等离子体处理对碳基材料表面的改性。具体来说，这些处理会在表面生成极性官能团（如羟基（–OH）和胺/酰胺（?NHx），使表面从疏水变为亲水。此外，表面偶极子的生成显著改变了石墨烯表面的电子性质。杂原子的引入改变了电子结构：–OH基团导致费米能级（EF）降低，真空能级（EV）升高，而–NH2基团则产生相反的效果，使EF升高，EV降低[42]。这些改性强烈影响生物反应，特别是细菌附着。
值得注意的是，目前尚不清楚使用氟碳等离子体进行功能化是否能够以可预测的方式电隔离导电石墨烯表面，同时抑制细菌附着并保持（或增强）纤维细胞的相容性。早期关于碳材料的等离子体研究主要关注氧气/氨气的化学性质和润湿性，而功函数（Φ）和态密度（DOS）与生物结果的因果联系有限[13]、[24]、[39]、[42]。另一方面，聚合物和金属上的氟化表面以其低表面能/疏水性和减少的细菌附着而闻名，但它们对导电石墨烯基底的电子影响尚不明确[27]、[28]。
在这项工作中，石墨烯纸样品经过C3H2F4等离子体处理，并进行了全面的物理化学表征，包括X射线光电子能谱（XPS）、二次离子质谱（SIMS）、拉曼（RS）、热重分析（TGA）、水接触角（WCA）、原子力显微镜（AFM）和功函数（Φ）测量，以评估表面化学、润湿性、拓扑结构和电子性质的变化。使用金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和纤维细胞进行了生物实验，以评估等离子体改性后的表面抗菌性能和生物相容性。此外，还使用密度泛函理论（DFT）模拟来研究氟掺入对电子态密度和表面电位的影响。
本研究的目的是探讨氟化、表面电子性质改性与细菌抗性之间的关系。通过将实验结果与理论建模相结合，本研究旨在建立一种电子驱动的抗菌表面设计机制。这种方法为基于化学的抗菌策略提供了有前景的替代方案，有可能开发出既能抵抗细菌定殖又不影响生物相容性的下一代生物医学表面。值得注意的是，本研究的主要目标具有根本性的导向性，可以为进一步的具体和生物医学导向的研究提供依据。
所研究的石墨烯纸（gp）被切割成1厘米×1厘米的小片段，厚度为25微米，密度为2克·立方厘米（Graphene Laboratories, Inc.，医用纯度）。样品用异丙醇清洗并在室温下干燥。干燥后，使用低压C3H2F4等离子体（Diener电子等离子体表面技术）对石墨烯纸进行改性。用于石墨烯表面改性的等离子体参数如下：
原子力显微镜（AFM）用于研究C3H2F4等离子体处理前后石墨烯纸（gp）的表面形态。图1显示了未经改性的石墨烯纸（A）和经过C3H2F4（2,3,3,3-四氟丙烯）等离子体处理300秒（功率100瓦，压力0.2毫巴）后的代表性5×5微米2 AFM地形图像。未经改性的gp表面呈现出典型的层状和皱褶形态，具有平坦的基底平面。
本研究提出了一种基于等离子体的氟碳功能化策略，用于石墨烯生物界面，实现了电子性质和生物性质的同时控制。通过形成一层薄的氟碳层，该方法使界面与基底在电子上解耦，这一点通过实验分析和DFT建模得到了证实。结果表现为功函数（开尔文探针测量，ΔΦ高达约2电子伏特）和费米能级附近的态密度降低，同时表面粗糙度变化很小。
D. 库马尔：撰写——原始草稿，可视化，方法学，数据管理，概念化。
S. 拉索塔：可视化，研究，数据管理。
K. 德罗日：可视化，研究，数据管理。
P. 多姆钦斯基：可视化，研究，数据管理。
P. 莱古特科：可视化，研究，数据管理。
M. 马尔泽茨：可视化，研究，数据管理。
P. 斯特尔马霍夫斯基：。
Z. 马德亚：撰写——审稿与编辑，验证，形式分析。
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
本研究得到了波兰国家科学中心在OPUS 19项目（项目编号：2020/37/B/ST5/03451）下的支持。该研究使用了欧盟在“智能增长运营计划”措施4.2框架下提供的资金（项目编号：POIR.04.02.00-00-D001/20，项目名称：“ATOMIN 2——创新经济的原子尺度科学”）购买的研究基础设施。我们衷心感谢波兰的高性能计算基础设施PLGrid（HPC中心：ACK Cyfronet AGH）的支持。
