英文原題：Solvent-Free Fabrication of Self-Regenerating Antibacterial Surfaces Resisting Biofilm Formation

通訊作者：葉羽敏、竺亞斌，寧波大學

作者：Cuicui Su,  Yumin Ye,  Haofeng Qiu,  Yabin Zhu

醫療器械表面由于細菌污染導致的生物膜形成對病人的康復有著重大的危害。譬如留置導尿管一旦被細菌污染就極易導致尿路感染并引起并發癥。但頻繁更換導尿管不僅會給患者帶來痛苦，也極大地增加了醫療成本。研究發現導尿管上的單個細菌可在24 h內形成生物膜，生物膜一旦形成則細菌很難被抗生素根除。因此，抑制生物膜的形成至關重要。而能否抑制生物膜形成的關鍵在于，材料表面是否能夠具有持久的抗菌效果，從而防止細菌的擴散增殖和轉移。研究者們曾通過制備具有單一殺菌功能的表面來防止生物膜的形成。這種僅具備殺菌功能的抗菌表面在短時間內具有良好的殺菌效果，但隨著細菌殘骸以及細菌分泌物的黏附，材料表面的殺菌功能逐漸喪失，因而仍會導致生物膜的形成。為了改善抗菌涂層的持續殺菌功能，一些可以在外部光、溫度、pH等刺激下切換殺菌和抗細菌粘附功能的表面也有所報道。這些表面可以有效地殺死接觸的細菌并隨后在外部刺激下釋放污染物，但這類外部刺激很難在人體內部使用。因此，醫療器械表面的持續抗菌問題仍需進一步研究解決。

寧波大學材料科學與化學工程學院葉羽敏副教授團隊近年來利用引發式化學氣相沉積（iCVD）法在抗菌表面取得了一系列成果，包括可調節抗生物粘附（antifouling）涂層用于抗細菌粘附表面（J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2669?2678）、抗生物粘附涂層用于醫療導管生物相容性的提高（ACS Appl. Bio Mater., 2019, 2, 3983?3991），以及化學梯度涂層用于殺菌與抗細菌粘附表面（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 18978–18986）。近日，該團隊在前期可生物降解涂層研究成果（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 38449?38458）的基礎上，與寧波大學醫學院竺亞斌教授團隊合作，利用iCVD法制備了可面向短期植入式醫療器械（indwelling medical device）表面具有自更新功能的復合抗菌涂層。該涂層具有抗菌與可生物降解層交替的三明治結構（圖1），從而實現在抗菌表層因持續殺菌導致表面細菌殘骸吸附而失效后，通過降解和剝落表層物質使抗菌表面得到再生，從而再次獲得較好的殺菌功能。

圖1. iCVD沉積過程與殺菌降解過程示意圖。

由于不同器械在體內留存時間的差異，需要可再生抗菌表面的再生時間在一定時間范圍內具備可調節性。基于此，在前期制備可生物降解PMAH的基礎上，進一步制備了MAH與MAA以及MAH與EGDA的共聚物，從而實現了可降解層降解時間從幾分鐘到幾天的拓展。

圖2. 不同降解層在模擬人體環境中的降解測試

圖3. 復合涂層在不同循環抗菌測試后性能測試及其表面形貌表征。

對表面涂覆了“抗菌-降解-抗菌”復合涂層（P（DE-ME3-DE）的醫用導尿管進行了重復殺菌循環測試，并與未處理導管以及僅涂覆單層抗菌涂層的導管作對比。在初次殺菌測試后，將各導管浸置于菌液中4小時作為一個菌液接觸循環。單一功能的抗菌涂層在初次殺菌后，表面黏附有大量死細菌及細菌殘骸，影響了之后表面與細菌間的接觸，使得殺菌功能逐漸降低（如圖3）。而復合涂層由于降解層的存在，在降解的同時可成功將黏附了細菌污染物的表層一起剝離材料表面，從而裸漏出新的抗菌涂層，再次恢復優良的殺菌效果。SEM和Live/dead viability assay熒光顯微圖同樣證實了復合涂層的可再生抗菌性能。

圖4. 復合涂層對大腸桿菌的抗菌測試熒光圖（Dead/live viability assay）

圖5. 含不同降解層的可再生抗菌涂層殺菌率與再生時長及在不同溶液環境中的殺菌與再生效果

通過引入含有不同成分的降解層進一步制備了多種可再生抗菌涂層，并進行了殺菌、降解、殺菌測試（如圖5）。結果發現，可成功得到再生時間為30 min-72 h不等的可再生抗菌涂層，并且降解后殺菌效率均高達約95%以上。為了更貼近于實際應用場景，將涂覆可再生抗菌涂層的導尿管樣品置于不同pH的尿液中進行殺菌降解測試，樣品依舊可以正常降解再生，并在再生后保持優良的殺菌功能。

由于iCVD過程溫和可控、無溶劑參與、可有效保留官能團，為制備多功能復合涂層提供了更多的可能。可降解層的加入延長了抗菌持續時間的范圍，這使其有可能應用于留置醫療設備。同時，根據應用場景需要，還可以通過增加交聯度、調控涂層厚度、增加涂層層數來實現持續抗菌時間的進一步延長。因此，該方法可以為抗菌表面的發展提供一條新的途徑，以提高對生物膜形成的持續抵抗力。

相關論文發表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，寧波大學研究生蘇翠翠為文章的第一作者，葉羽敏副教授、竺亞斌教授為共同通訊作者。

原文（掃描或長按二維碼，識別后直達原文頁面）：

Solvent-Free Fabrication of Self-Regenerating Antibacterial Surfaces Resisting Biofilm Formation

Cuicui Su, Yumin Ye*, Haofeng Qiu, and Yabin Zhu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 10553–10563, DOI: 10.1021/acsami.0c20033

Publication Date: February 22, 2021

Copyright  2021 American Chemical Society

導師介紹

葉羽敏 https://www.x-mol.com/university/faculty/20758

竺亞斌 https://www.x-mol.com/university/faculty/159997