{首页主词},&

北京化工大學徐福建團隊：自帶防污、光熱殺菌特性的聚合物涂層

2020-02-11 13:39:00 作者：高分子科學前沿來源：高分子科學前沿分享至：

背景

生物醫學設備感染（BAI）是現代臨床醫學中的巨大挑戰，不僅可能給患者帶來嚴重的并發癥，而且給醫療保健系統造成沉重負擔，細菌是感染的主要病原體，其中多藥耐藥細菌更加危險，它們難以治療甚至威脅生命。

近年來，出現了許多解決細菌感染的方法，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、細胞毒性等缺點。由于近紅外（NIR）誘導的光熱作用具有非釋放性和優異的生物相容性，是一種出色的物理抗菌方法。金納米棒（Au NRs）的高化學穩定性被廣泛用于光熱療法，但是，在疝氣修復的臨床應用效果較差。因此，在生物醫學器械表面開發有效的抗菌和防污性能涂層具有重要意義。

亮點

近期，北京化工大學徐福建教授、段順副教授等在生物醫學設備表面上構建了一種近紅外響應的抗菌和防污涂層。研究人員先將Au NRs固定在用于疝氣修復的PU材料上以進行表面功能化；再以硫醇處理的超親水性聚乙二醇（PEG-SH）進行后改性，構建了固有防污和光熱殺菌特性的有機/無機雜化涂層（PU-Au-PEG）。同時證明了對多種細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療器械相關細菌感染治療的應用提供有希望的方法。相關論文發表在《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。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

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電荷的細菌，并在經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

在分散體系中使用Au NRs將使其具有良好的光熱效應。如圖3所示，經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的光熱效率沒有負面影響，并且該溫度將具有殺菌作用。

隨后，研究人員進行圖3d所示的循環光熱實驗，經12次輻射-冷卻循環后，PU-Au-PEG的光熱效應沒有衰減，表明其具有高穩定性和可重復性，這不僅有利于殺菌劑的循環使用，而且對于復發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。這兩種細菌是引起醫院感染的主要病原體。

如圖4所示，經NIR照射后，PU-Au表面上的細菌被光熱效應殺死并積聚在表面，而PU-Au-PEG表面的細菌數量極低，這是由于PEG在Au NRs層上形成的水合層阻止了表面與細菌之間相互作用，從而排斥細菌并防止細菌粘附。經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菌碎片在表面的積累。

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

圖4. 殺菌和防污性能表征

體內光熱抗菌療法

臨床上大量醫療器械相關感染是由于預防效果不佳以及術后濫用抗生素所致。因此，體內抗菌特性對于預防和治療BAI至關重要，研究人員對PU-Au-PEG進行體內研究，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，經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具有出色的體內光熱抗感染性能。

圖5. 體內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模型。手術三天后，在PU組中可以發現明顯的膿性，表明小鼠發生了嚴重感染。而PU-Au-PEG組的組織非常正常，收集樣品周圍的組織用于細菌培養，可以看出PU-Au-PEG組的細菌菌落數顯著低于其他組，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。

圖6. 抗感染性能表征

本篇文章中，研究人員開發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學設備表面。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的病原菌，并能夠防止細菌碎片的積累，在模擬臨床環境的動物實驗中驗證了PU-Au-PEG在體內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學設備的抗菌納米涂層的設計和構建提供了一種有希望的策略。

免責聲明：本網站所轉載的文字、圖片與視頻資料版權歸原創作者所有，如果涉及侵權，請第一時間聯系本網刪除。