背景

生物醫(yī)學(xué)設(shè)備感染（BAI）是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中的巨大挑戰(zhàn)，不僅可能給患者帶來嚴(yán)重的并發(fā)癥，而且給醫(yī)療保健系統(tǒng)造成沉重負(fù)擔(dān)，細(xì)菌是感染的主要病原體，其中多藥耐藥細(xì)菌更加危險，它們難以治療甚至威脅生命。

近年來，出現(xiàn)了許多解決細(xì)菌感染的方法，如抗生素、抗菌肽、金納米顆粒和光動力療法等，但仍然存在耐藥性差、壽命短、細(xì)胞毒性等缺點。由于近紅外（NIR）誘導(dǎo)的光熱作用具有非釋放性和優(yōu)異的生物相容性，是一種出色的物理抗菌方法。金納米棒（Au NRs）的高化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛用于光熱療法，但是，在疝氣修復(fù)的臨床應(yīng)用效果較差。因此，在生物醫(yī)學(xué)器械表面開發(fā)有效的抗菌和防污性能涂層具有重要意義。

亮點

近期，北京化工大學(xué)徐福建教授、段順副教授等在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備表面上構(gòu)建了一種近紅外響應(yīng)的抗菌和防污涂層。研究人員先將Au NRs固定在用于疝氣修復(fù)的PU材料上以進(jìn)行表面功能化；再以硫醇處理的超親水性聚乙二醇（PEG-SH）進(jìn)行后改性，構(gòu)建了固有防污和光熱殺菌特性的有機(jī)/無機(jī)雜化涂層（PU-Au-PEG）。同時證明了對多種細(xì)菌的防污和殺菌及光熱抗菌性能，并通過感染性疝氣治療，證明了PU-Au-PEG在臨床中的抗感染功效。該材料將為納米材料在醫(yī)療器械相關(guān)細(xì)菌感染治療的應(yīng)用提供有希望的方法。相關(guān)論文發(fā)表在《ACS Nano》上。

PU-Au-PEG涂層的制備和表征

研究人員先合成Au NRs；然后在3-巰基丙基三甲氧基硅烷溶液中對PU樣品進(jìn)行改性，以在表面上引入巰基得到PU-SH；然后將PU-SH樣品在Au NRs的水懸浮液中孵育，制成Au NR涂層的PU（PU-Au）；最后，將PU-Au樣品用PEG-SH功能化制備具有固有防污和光熱特性的PU-Au-PEG。

圖1. PU-Au-PEG表面的防污和光熱殺菌性能

如圖2所示，PU的表面是光滑的，涂上Au NRs后，表面粗糙度變得相對粗糙，表明Au NRs已被改性到PU表面。TME表明PU-Au-PEG涂層的厚度約為80 nm，而且由于Au NRs帶正電荷，易于通過靜電作用吸引帶負(fù)電荷的細(xì)菌，并在經(jīng)PEG修飾后，正電荷被水合層屏蔽，PU-Au-PEG顯示出幾乎中性的表面電勢。這些結(jié)果均表明，成功地制備了PU-Au和PU-Au-PEG涂層。

圖2. PU-Au-PEG涂層的性能表征

體外光熱性質(zhì)

在分散體系中使用Au NRs將使其具有良好的光熱效應(yīng)。如圖3所示，經(jīng)NIR照射十分鐘，PU的溫度從初始的23℃升至28℃，而PU-Au和PU-Au-PEG則迅速升高至55℃左右，表明PEG對Au NRs的光熱效率沒有負(fù)面影響，并且該溫度將具有殺菌作用。

隨后，研究人員進(jìn)行圖3d所示的循環(huán)光熱實驗，經(jīng)12次輻射-冷卻循環(huán)后，PU-Au-PEG的光熱效應(yīng)沒有衰減，表明其具有高穩(wěn)定性和可重復(fù)性，這不僅有利于殺菌劑的循環(huán)使用，而且對于復(fù)發(fā)性感染的治療具有重要意義。

圖3. 體外光熱性能表征

體外殺菌和防污性能

隨后，研究人員選擇綠膿桿菌和金黃色葡萄球菌來評估PU-Au-PEG的抗菌性能。這兩種細(xì)菌是引起醫(yī)院感染的主要病原體。

如圖4所示，經(jīng)NIR照射后，PU-Au表面上的細(xì)菌被光熱效應(yīng)殺死并積聚在表面，而PU-Au-PEG表面的細(xì)菌數(shù)量極低，這是由于PEG在Au NRs層上形成的水合層阻止了表面與細(xì)菌之間相互作用，從而排斥細(xì)菌并防止細(xì)菌粘附。經(jīng)NIR照射后，PU-Au-PEG表面同樣顯示出高殺菌效力，而且可以很好地避免細(xì)菌碎片在表面的積累。

循環(huán)抗菌實驗也證實了PU-Au-PEG的耐久性，三次循環(huán)抗菌實驗之后，PU-Au-PEG樣品仍具有很高的防污和殺菌性能，顯示出持續(xù)的抗菌性能。這些結(jié)果均表明，PU-Au-PEG具有對多類型細(xì)菌的高殺菌和防污性能。

圖4. 殺菌和防污性能表征

體內(nèi)光熱抗菌療法

臨床上大量醫(yī)療器械相關(guān)感染是由于預(yù)防效果不佳以及術(shù)后濫用抗生素所致。因此，體內(nèi)抗菌特性對于預(yù)防和治療BAI至關(guān)重要，研究人員對PU-Au-PEG進(jìn)行體內(nèi)研究，如圖5所示，將被金黃色葡萄球菌污染的PU和PU-Au-PEG樣品植入小鼠體內(nèi)，經(jīng)NIR照射后，植入PU-Au-PEG位置的溫度提高約20°C，而PU組僅升高不到10°C，表明PU-Au-PEG具有出色的體內(nèi)光熱抗感染性能。

圖5. 體內(nèi)光熱抗感染性能表征

疝氣動物模型的抗感染性能

隨后，為了評估PU-Au-PEG在臨床環(huán)境中的抗菌性能，研究人員使用小鼠建立圖6所示的感染疝氣修復(fù)模型。手術(shù)三天后，在PU組中可以發(fā)現(xiàn)明顯的膿性，表明小鼠發(fā)生了嚴(yán)重感染。而PU-Au-PEG組的組織非常正常，收集樣品周圍的組織用于細(xì)菌培養(yǎng)，可以看出PU-Au-PEG組的細(xì)菌菌落數(shù)顯著低于其他組，表明PU-Au-PEG具有很高的抗感染活性，可以在近紅外輻射下殺死病原菌，消除疝氣感染。

本篇文章中，研究人員開發(fā)了一種簡便的防污和光熱抗菌功能化方法，可適用于各種類型的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備表面。通過Au NRs和PEG修飾制備的PU-Au-PEG可以有效殺死包括多重耐藥菌在內(nèi)的病原菌，并能夠防止細(xì)菌碎片的積累，在模擬臨床環(huán)境的動物實驗中驗證了PU-Au-PEG在體內(nèi)的光熱抗菌作用和感染性疝氣治療的確切功效。我們相信這項工作將為生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的抗菌納米涂層的設(shè)計和構(gòu)建提供了一種有希望的策略。