北京化工大学徐福建团队：自带防污、光热杀菌特性的聚合物涂层
2020-02-11 13:39:00
作者：高分子科学前沿 来源：高分子科学前沿
背景
生物医学设备感染（BAI）是现代临床医学中的巨大挑战，不仅可能给患者带来严重的并发症，而且给医疗保健系统造成沉重负担，细菌是感染的主要病原体，其中多药耐药细菌更加危险，它们难以治疗甚至威胁生命。
近年来，出现了许多解决细菌感染的方法，如抗生素、抗菌肽、金纳米颗粒和光动力疗法等，但仍然存在耐药性差、寿命短、细胞毒性等缺点。由于近红外（NIR）诱导的光热作用具有非释放性和优异的生物相容性，是一种出色的物理抗菌方法。金纳米棒（Au NRs）的高化学稳定性被广泛用于光热疗法，但是，在疝气修复的临床应用效果较差。因此，在生物医学器械表面开发有效的抗菌和防污性能涂层具有重要意义。
亮点
近期，北京化工大学徐福建教授、段顺副教授等在生物医学设备表面上构建了一种近红外响应的抗菌和防污涂层。研究人员先将Au NRs固定在用于疝气修复的PU材料上以进行表面功能化；再以硫醇处理的超亲水性聚乙二醇（PEG-SH）进行后改性，构建了固有防污和光热杀菌特性的有机/无机杂化涂层（PU-Au-PEG）。同时证明了对多种细菌的防污和杀菌及光热抗菌性能，并通过感染性疝气治疗，证明了PU-Au-PEG在临床中的抗感染功效。该材料将为纳米材料在医疗器械相关细菌感染治疗的应用提供有希望的方法。相关论文发表在《ACS Nano》上。
PU-Au-PEG涂层的制备和表征
研究人员先合成Au NRs；然后在3-巯基丙基三甲氧基硅烷溶液中对PU样品进行改性，以在表面上引入巯基得到PU-SH；然后将PU-SH样品在Au NRs的水悬浮液中孵育，制成Au NR涂层的PU（PU-Au）；最后，将PU-Au样品用PEG-SH功能化制备具有固有防污和光热特性的PU-Au-PEG。
图1. PU-Au-PEG表面的防污和光热杀菌性能
如图2所示，PU的表面是光滑的，涂上Au NRs后，表面粗糙度变得相对粗糙，表明Au NRs已被改性到PU表面。TME表明PU-Au-PEG涂层的厚度约为80 nm，而且由于Au NRs带正电荷，易于通过静电作用吸引带负电荷的细菌，并在经PEG修饰后，正电荷被水合层屏蔽，PU-Au-PEG显示出几乎中性的表面电势。这些结果均表明，成功地制备了PU-Au和PU-Au-PEG涂层。
图2. PU-Au-PEG涂层的性能表征
体外光热性质
在分散体系中使用Au NRs将使其具有良好的光热效应。如图3所示，经NIR照射十分钟，PU的温度从初始的23℃升至28℃，而PU-Au和PU-Au-PEG则迅速升高至55℃左右，表明PEG对Au NRs的光热效率没有负面影响，并且该温度将具有杀菌作用。
随后，研究人员进行图3d所示的循环光热实验，经12次辐射-冷却循环后，PU-Au-PEG的光热效应没有衰减，表明其具有高稳定性和可重复性，这不仅有利于杀菌剂的循环使用，而且对于复发性感染的治疗具有重要意义。
图3. 体外光热性能表征
体外杀菌和防污性能
随后，研究人员选择绿脓杆菌和金黄色葡萄球菌来评估PU-Au-PEG的抗菌性能。这两种细菌是引起医院感染的主要病原体。
如图4所示，经NIR照射后，PU-Au表面上的细菌被光热效应杀死并积聚在表面，而PU-Au-PEG表面的细菌数量极低，这是由于PEG在Au NRs层上形成的水合层阻止了表面与细菌之间相互作用，从而排斥细菌并防止细菌粘附。经NIR照射后，PU-Au-PEG表面同样显示出高杀菌效力，而且可以很好地避免细菌碎片在表面的积累。
循环抗菌实验也证实了PU-Au-PEG的耐久性，三次循环抗菌实验之后，PU-Au-PEG样品仍具有很高的防污和杀菌性能，显示出持续的抗菌性能。这些结果均表明，PU-Au-PEG具有对多类型细菌的高杀菌和防污性能。
图4. 杀菌和防污性能表征
体内光热抗菌疗法
临床上大量医疗器械相关感染是由于预防效果不佳以及术后滥用抗生素所致。因此，体内抗菌特性对于预防和治疗BAI至关重要，研究人员对PU-Au-PEG进行体内研究，如图5所示，将被金黄色葡萄球菌污染的PU和PU-Au-PEG样品植入小鼠体内，经NIR照射后，植入PU-Au-PEG位置的温度提高约20°C，而PU组仅升高不到10°C，表明PU-Au-PEG具有出色的体内光热抗感染性能。
图5. 体内光热抗感染性能表征
疝气动物模型的抗感染性能
随后，为了评估PU-Au-PEG在临床环境中的抗菌性能，研究人员使用小鼠建立图6所示的感染疝气修复模型。手术三天后，在PU组中可以发现明显的脓性，表明小鼠发生了严重感染。而PU-Au-PEG组的组织非常正常，收集样品周围的组织用于细菌培养，可以看出PU-Au-PEG组的细菌菌落数显着低于其他组，表明PU-Au-PEG具有很高的抗感染活性，可以在近红外辐射下杀死病原菌，消除疝气感染。
图6. 抗感染性能表征
本篇文章中，研究人员开发了一种简便的防污和光热抗菌功能化方法，可适用于各种类型的生物医学设备表面。通过Au NRs和PEG修饰制备的PU-Au-PEG可以有效杀死包括多重耐药菌在内的病原菌，并能够防止细菌碎片的积累，在模拟临床环境的动物实验中验证了PU-Au-PEG在体内的光热抗菌作用和感染性疝气治疗的确切功效。我们相信这项工作将为生物医学设备的抗菌纳米涂层的设计和构建提供了一种有希望的策略。
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