為了減輕與組織接觸的生物醫(yī)學(xué)裝置相關(guān)的感染，人們正在開(kāi)發(fā)自我防御的生物材料表面，這種感染發(fā)生在微生物在設(shè)備表面定植并將其轉(zhuǎn)化為難以抗拒的生物膜時(shí)，其中一個(gè)關(guān)鍵的干預(yù)點(diǎn)是防止來(lái)自源頭的感染。在表面涂層中加入抗菌劑可能非常有效，但通過(guò)連續(xù)洗脫來(lái)提供抗微生物的傳統(tǒng)方法往往會(huì)產(chǎn)生反效果。在沒(méi)有感染的，持續(xù)的洗脫反而會(huì)創(chuàng)造條件，導(dǎo)致耐藥微生物在病人體內(nèi)生長(zhǎng)。相反，自衛(wèi)涂層只有在人體表面有微生物時(shí)才會(huì)釋放抗菌物質(zhì)，否則，抗菌素仍然隔離在涂層內(nèi)，不會(huì)促進(jìn)耐藥性的發(fā)展。表面皮膚產(chǎn)生微生物防御需要一個(gè)局部的觸發(fā)信號(hào)，三種觸發(fā)因素已被鑒定為：（1）局部pH值降低；（2）局部酶釋放；（3）微生物與表面直接接觸。這篇簡(jiǎn)短的綜述強(qiáng)調(diào)了在器械感染問(wèn)題的一般背景下使用自我防御表面的必要性，然后綜述了與這三種觸發(fā)機(jī)制相關(guān)的關(guān)鍵生物材料的發(fā)展。相關(guān)論文以題為“Self-defensive antimicrobial biomaterial surfaces”發(fā)表在 colloids-and-surfaces-b-biointerfaces。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927776520302198

在臨床手術(shù)中，廣泛存在生物材料相關(guān)感染，通常簡(jiǎn)稱移植感染，現(xiàn)在被認(rèn)為是接觸組織生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的主要失效現(xiàn)象之一。所有植入裝置，例如髖關(guān)節(jié)/膝關(guān)節(jié)假體、心臟瓣膜、心臟起搏器、耳蝸植入設(shè)備、分流術(shù)、外科網(wǎng)、縫合線等。植入物感染是微生物首先在外來(lái)設(shè)備表面繁殖，然后繼續(xù)發(fā)展成生物膜的結(jié)果導(dǎo)致人體大面積感染。由于作為生物膜生長(zhǎng)的細(xì)菌對(duì)抗菌素具有高度耐受性，這些感染通常只能通過(guò)移除設(shè)備，然后解決感染問(wèn)題，并可能在隨后的一次或多次修復(fù)手術(shù)中重新植入新設(shè)備來(lái)消除。雖然已經(jīng)探索了許多不同的策略，其中包括改變植入物表面形貌和防污性能的方法，但事實(shí)上最成功的方法還是在植入物表面加入了抗菌劑，并且隨著時(shí)間的推移，抗菌劑會(huì)從植入設(shè)備中代謝出來(lái)。

1、基于局部pH值變化的自我防御表面

細(xì)菌的新陳代謝會(huì)導(dǎo)致分泌大量的物質(zhì)來(lái)控制所處環(huán)境的pH值，更普遍的是，有些細(xì)菌在酸性環(huán)境中最有效地繁殖，因此分泌酸性產(chǎn)物以降低pH值，而另一些細(xì)菌則偏好堿性環(huán)境，因此分泌堿性產(chǎn)物。在植入物相關(guān)感染中最常涉及的細(xì)菌是葡萄球菌、假單胞菌和腸球菌都也屬于同一種類的酸產(chǎn)生者，它們通常分泌乳酸、醋酸和丙酮酸等。圖1展示了他們的一個(gè)結(jié)果，其中金黃色葡萄球菌被培養(yǎng)在連續(xù)的水凝膠薄膜（約50 nm厚）上，聚甲基丙烯酸（PMAA）是通過(guò)逐層沉積形成的。一個(gè)pH敏感的熒光團(tuán)在沉積后共價(jià)附著。在校準(zhǔn)了熒光強(qiáng)度的pH依賴性并去除細(xì)菌自身的自發(fā)熒光后，得到實(shí)驗(yàn)顯示，PMAA膜下的局部pH值從7.4下降到了5.5左右。這種減少足以觸發(fā)慶大霉素或多粘菌素B的釋放，并分別抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的定植。

圖 1與pH敏感染料結(jié)合的水凝膠薄膜涂層表明，細(xì)菌代謝導(dǎo)致金黃色葡萄球菌周圍局部酸化

2、基于局部酶分泌的自我防御表面

除了影響當(dāng)?shù)氐膒H值，微生物還產(chǎn)生和分解一系列生物分子，包括各種酶。特別是葡萄球菌，它們分泌多種聚糖分解酶，可以降解軟組織細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）的成分，如硫酸軟骨素、肝素、硫酸肝素和透明質(zhì)酸（HA）等在早些年，這些酶通常被稱為擴(kuò)散因子，因?yàn)榫植縀CM的降解為生長(zhǎng)中的微生物菌落的擴(kuò)散提供了能量和空間。其中分泌的一種酶是透明質(zhì)酸酶，是許多微生物分泌的一種酶，它可以降解血凝素。

圖2通過(guò)設(shè)計(jì)薄膜涂層，利用降解酶的釋放作為一種自我防御觸發(fā)器，該涂層可在ECM組分的局部酶降解過(guò)程中釋放抗菌物質(zhì)。他們構(gòu)建了由聚陽(yáng)離子殼聚糖（CHI）和聚陰離子透明質(zhì)酸（HA）組成的多層薄膜。以半胱氨酸末端的14-殘基（RSMRLSFRARG- YGFR），以及陽(yáng)離子抗菌肽，稱為CTL，共價(jià)移植到HA 形成HA-CTL。采用馬來(lái)酰亞胺化學(xué)方法，將CTL的末端硫醇與HA上的羧基相連。

圖 2（a） 透明質(zhì)酸和殼聚糖交替層組成的多層LbL薄膜 （b） 代謝分泌酶（透明質(zhì)酸酶）局部降解逐層（LbL）膜（c）釋放的抗菌劑局部殺死微生物（紅色）

3、基于微生物與表面直接接觸的自防御表面

如圖3將微凝膠靜電沉積在玻璃纖維的開(kāi)裂端，然后在其上加載抗菌劑。通過(guò)緩沖液將纖維尖端降低，以接觸接種在玻璃基板表面的細(xì)菌——無(wú)論是大腸桿菌還是表皮葡萄球菌。該緩沖液不含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，因此與局部酸化和酶分泌相關(guān)的代謝過(guò)程受到抑制。然而，培養(yǎng)基中確實(shí)含有活/死染色，通過(guò)熒光成像來(lái)觀察細(xì)菌的死亡。圖3A顯示了接觸前在玻璃表面活的大腸桿菌（綠色），圖3B顯示了與粘菌素負(fù)載微凝膠接觸30分鐘后的相同區(qū)域。局部殺滅表現(xiàn)為紅色（死亡）細(xì)菌的出現(xiàn)，這只發(fā)生在纖維尖端下有微膠細(xì)菌接觸的區(qū)域。

圖 3接觸傳遞粘菌素可殺死大腸桿菌。將載粘菌素的聚（丙烯酸）微凝膠放置在切割的玻璃纖維末端，與沉積在玻璃基板表面的大腸桿菌接觸。（A）沒(méi)有接觸；（B）接觸30分鐘后。培養(yǎng)基為0.01 M磷酸鹽緩沖液pH 7.4，含活（綠色）/死（紅色）染色劑。圖像C1-C3顯示了單個(gè)大腸桿菌細(xì)胞（短箭頭）接觸粘菌素微凝膠（長(zhǎng)箭頭）后的時(shí)間分辨序列（1分鐘間隔）

結(jié)論展望

當(dāng)前這一代生物材料出現(xiàn)了重大轉(zhuǎn)變，即從1990年代以前創(chuàng)造生物惰性合成表面的觀點(diǎn)，到目前創(chuàng)造可控制地與宿主組織相互作用的表面的觀點(diǎn)。從這一轉(zhuǎn)變中，一個(gè)新的方法出現(xiàn)了，它將細(xì)胞和分子生物學(xué)的技能與物理科學(xué)和工程的技能結(jié)合在一起，這樣的技術(shù)在25年前幾乎是不可想象的。生物材料界現(xiàn)在正在遵循一個(gè)類似的轉(zhuǎn)變，下一代生物材料將被不斷的設(shè)計(jì)并且使用 ，以抵抗微生物在人體中產(chǎn)生的不良反應(yīng)。

在這一新興的抗感染生物材料保護(hù)傘內(nèi)，自我防御表面提供了一種新的手段，使用基于抗菌素的策略，以保持良好的抗菌工作的方式抑制細(xì)菌定植。本文綜述了三種特異機(jī)制：局部pH變化；局部酶活性；以及與微生物的直接接觸——這種情況正被自我防御的涂層設(shè)計(jì)所利用。這些涂層都顯示了一種能力，抵抗定植的一個(gè)或多個(gè)重要微生物局部和反應(yīng)釋放抗菌劑。此外，盡管在本綜述中還沒(méi)有詳細(xì)討論，但大部分關(guān)于自防衛(wèi)表面的研究也表明，無(wú)論是在體外還是在體內(nèi)，這些涂層仍然能夠保持良好的細(xì)胞相容性。