中心静脉导管、静脉留置针套管等血液接触导管引发的细菌感染是临床上常见的感染问题，这一问题缩短了导管的使用时间，并且给患者带来额外的痛苦和的经济负担。在导管使用过程中，细菌在导管表面的定植与繁殖是导管相关感染发生的前提，因此发展具有接触杀菌功能的医用导管表面具有重要的意义。同时，血液中富含蛋白质等生物大分子与血细胞，这也对杀菌表面的抗污性能与生物安全性提出了更高的要求。徐福建教授团队针对血液接触导管材料的抗菌功能化问题，在聚氨酯材料表面设计并构建了抗菌肽修饰的层级结构聚合物刷，可以有效清除与材料表面接触的细菌，同时具备良好的抗污性能与血液相容性，这一成果近期发表在Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01060）。

为了在保证生物安全性的前提下，实现高效的接触杀菌效果，徐福建教授团队通过表面引发活性嵌段聚合的方法在聚氨酯表面构建了具有层级结构的聚合物刷（PU-DMH），这种聚合物刷以两性离子聚合物为底层、以多羧基聚合物为顶层，并通过带有弱正电的抗菌肽对聚合物刷进行后修饰（图1）。PU-DMH在使用过程中，底层的两性离子聚合物可以形成水化层，避免蛋白质及细菌等通过疏水作用在表面粘附，顶层的多羧基聚合物在生理条件下带有负电荷，对蛋白质及细菌可以产生静电排斥作用，同时羧基为抗菌肽的引入提供了丰富的反应位点，能够为表面提供接触杀菌性能。

图1. 基于层级结构聚合物刷进行表面抗菌功能化

本研究的结果表明，PU-DMH在静态条件下能够有效杀灭与表面接触的细菌，同时可以防止死亡细菌在表面的堆积（图2）。为了进一步评价材料在临床使用条件下的抗菌性能，通过体外循环实验对静脉注射过程中的流体力学环境进行了模拟，结果显示PU-DMH在模拟工况下具有良好的接触杀菌效果，且经过48小时的循环抗菌实验，表面依然能够抵抗死亡细菌的大量积累（图3）。由于PU-DMH优异的抗污性能，这类材料的抗菌性能不受蛋白质的影响，在含蛋白质的培养液中仍然具有高效抗菌的性能。此外，PU-DMH不引起溶血，并能够防止血细胞在表面的粘附，这对延长导管使用时间具有重要的作用（图4）。在动物实验中，PU-DMH能够防止由金黄色葡萄球菌引发的感染，展现出了优异的体内抗感染效果。本项研究工作为血液接触医用导管材料的抗菌表面功能化提供了新的策略与设计思路。

图2. 功能化表面PU-DMH的静态抗菌效果：（a） 表面细菌的粘附及存活情况；（b） 表面死、活细菌定量分析

图3. 在模拟临床使用条件下，PU-DMH的杀菌、抗污性能：（a） 实验装置示意图；（b） 表面细菌的粘附及存活情况；（c） 表面死、活细菌定量分析

图4. 功能化表面PU-DMH的血液相容性

以上成果以Antimicrobial Peptide-Conjugated Hierarchical Antifouling Polymer Brushes for Functionalized Catheter Surfaces为题，发表在Biomacromolecules（2019, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01060）。论文第一作者为北京化工大学2018级硕士研究生张欣阳，通讯作者为北京化工大学徐福建教授、段顺副教授和丁雪佳教授。该研究受到国家重点研发计划（2016YFC1100404）资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01060