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北京大发排列3大学徐福建教授课题组《ACS Nano》:在表面抗菌功能化方面取得新进展
2020-02-11  来源:高分子科技

  医疗器械引发的细菌感染是当前临床医学上的常见问题,通常会引起各种严重的并发症,给患者带来痛苦,甚至可能导致治疗失败、造成患者死亡。其中,耐药菌引发的感染难以采用常规药物进行治疗,引发的后果更为严重。由于细菌在医疗器械表面的粘附与定植是引发感染的先决条件,因此,构建高效的抗菌涂层是对抗此类感染的有效策略。在传统的抗菌涂层中,抗污涂层能够防止细菌的初期粘附,杀菌涂层可以灭活能够引发潜在感染的病原菌,然而二者均存在各自的局限性。

  针对以上问题,北京大发排列3大学徐福建教授课题组开发了一种具备固有抗污性能及近红外响应杀菌功能的表面涂层,通过合理的设计与便捷的制备方法,将抗污涂层与杀菌涂层的优势进行了有机的结合,用于医疗器械的抗菌表面功能化。课题组的博士研究生赵玉清同学基于金纳米棒(Au NRs)和超亲水聚合物聚乙二醇(PEG),在聚氨酯(PU)这一常用的医用材料表面,通过Au-S键构建了有机/无机复合纳米涂层(PU-Au-PEG)。这类纳米涂层在通常状态下具有良好的抗污能力,可以防止细菌在表面的定植;在受到近红外线的照射时,涂层能够通过光热效应产生杀菌效果,从而彻底清除可能引发感染的病原菌(图1)。本项研究工作以“Well-Defined Gold Nanorod/Polymer Hybrid Coating with Inherent Antifouling and Photothermal Bactericidal Properties for Treating an Infected Hernia”为题,发表于美国化学会旗下的学术期刊ACS Nano

图1 有机/无机复合纳米抗菌涂层的构建及其性能

  通过种子生长法,制备了直径10 nm、长度40 nm的金纳米棒,使用含有巯基的硅烷偶联剂将金纳米棒固定于PU表面,形成无机层。在无机层之上,修饰末端为巯基的硅烷偶联剂,构成有机层,复合涂层的整体厚度约为80 nm,对于PU的光学性能影响较小,从而方便临床上的实际操作(图1)。在复合涂层中,金纳米棒提供了光热性能,PEG能在体液中形成水化层,防止细菌通过疏水作用在表面发生粘附,而且伸展的聚合物链屏蔽了金纳米棒的正电荷,也降低了表面通过静电作用吸引细菌的可能性。

图2 有机/无机复合纳米涂层的形貌

  在波长808 nm近红外线的照射下,PU-Au-PEG表现出了良好的光热性质。照射10分钟后,材料表面温度可升至55 °C,这一温度可以达到灭活细菌的有效温度(图3)。由于Au-S键的高稳定性,复合涂层具备持久的光热性能,经过12次升温-降温循环后,光热性质无显著下降,这一性能有利于复合涂层的长期使用。

图3 复合涂层的光热性能及稳定性。(a)热成像照片;(b)温度变化情况;(c)升温曲线;(d)循环光热性能

  当材料表面遭遇细菌侵袭时,PU-Au-PEG首先依靠其固有的抗污性能降低细菌粘附,并能够在近红外光的作用下产生升温,灭活材料表面及其周边的细菌。这一杀菌作用对于典型的革兰氏阳性菌(含多药耐药菌)、革兰氏阴性菌均具有良好的效果(图4)。被杀灭的细菌在材料表面不发生累积,从而防止了表面污染的发生。由于复合涂层的高稳定性,PU-Au-PEG可以连续多次对抗细菌的侵袭,同时对于生物膜的生成也有高效的抑制作用。

图4 复合涂层的体外杀菌及抗污性能

  PU-Au-PEG的体内光热抗感染性能首先通过皮下感染模型进行了初步验证(图5)。由于近红外线对于组织具有良好的穿透作用,PU-Au-PEG在动物体内同样展示出了显著的升温效果。材料表面温度的升高可以消除体内存在的细菌,在1天内即可防止感染的发生。同时,复合涂层的抗污作用降低了死亡细菌及免疫细胞在材料表面的累积量,从而防止了感染性炎症的发生。

图5 复合涂层的体内抗感染性能。(a)皮下感染动物模型;(b)体内升温情况;(c)材料表面的细菌存活情况;(d)皮下组织的感染情况

  PU是腹壁疝修补的常用材料,为验证复合涂层在临床条件下的抗感染效果,本项研究工作构建了感染性腹壁疝动物模型,并通过PU-Au-PEG对其进行治疗(图6)。结果表明腹壁内的材料可以在近红外线的作用下产生显著的光热效应,杀灭引发感染的细菌,从而有效治疗了感染性腹壁疝,保护了腹腔内的重要器官。通过本论文的研究,为新型、高效、便捷的抗感染涂层大发排列3提供了新的策略。

图6 对于感染性腹壁疝的治疗效果。(a)感染性腹壁疝动物模型;(b)抗感染性能;(c)复合涂层对于细菌的清除效果;(d,e)感染性炎症的定性、定量分析

  本论文的第一作者为北京大发排列3大学材料科学与工程学院2018级博士生赵玉清,通讯作者为徐福建教授段顺副教授。同时,在研究的过程中,课题组也得到了Virginia Commonwealth University赵宏教授和北京市口腔医院孙玉洁博士的大力协助。此项研究工作得到了国家重点研发计划抗菌材料表界面构筑及应用,2016YFC1100404)的支持。

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09282

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(责任编辑:xu)
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