ACS AMI┃植入式医疗器械表面可再生抗菌涂层的无溶剂制备

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

通讯作者:叶羽敏、竺亚斌,宁波大学

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

医疗器械表面由于细菌污染导致的生物膜形成对病人的康复有着重大的危害。譬如留置导尿管一旦被细菌污染就极易导致尿路感染并引起并发症。但频繁更换导尿管不仅会给患者带来痛苦,也极大地增加了医疗成本。研究发现导尿管上的单个细菌可在24 h内形成生物膜,生物膜一旦形成则细菌很难被抗生素根除。因此,抑制生物膜的形成至关重要。而能否抑制生物膜形成的关键在于,材料表面是否能够具有持久的抗菌效果,从而防止细菌的扩散增殖和转移。研究者们曾通过制备具有单一杀菌功能的表面来防止生物膜的形成。这种仅具备杀菌功能的抗菌表面在短时间内具有良好的杀菌效果,但随着细菌残骸以及细菌分泌物的黏附,材料表面的杀菌功能逐渐丧失,因而仍会导致生物膜的形成。为了改善抗菌涂层的持续杀菌功能,一些可以在外部光、温度、pH等刺激下切换杀菌和抗细菌粘附功能的表面也有所报道。这些表面可以有效地杀死接触的细菌并随后在外部刺激下释放污染物,但这类外部刺激很难在人体内部使用。因此,医疗器械表面的持续抗菌问题仍需进一步研究解决。

宁波大学材料科学与化学工程学院叶羽敏副教授(点击查看介绍)团队近年来利用引发式化学气相沉积(iCVD)法在抗菌表面取得了一系列成果,包括可调节抗生物粘附(antifouling)涂层用于抗细菌粘附表面(J. Mater. Chem. B, 2016, 4, 2669−2678)、抗生物粘附涂层用于医疗导管生物相容性的提高(ACS Appl. Bio Mater., 2019, 2, 3983−3991),以及化学梯度涂层用于杀菌与抗细菌粘附表面(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 18978–18986)。近日,该团队在前期可生物降解涂层研究成果(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 38449−38458)的基础上,与宁波大学医学院竺亚斌教授(点击查看介绍)团队合作,利用iCVD法制备了可面向短期植入式医疗器械(indwelling medical device)表面具有自更新功能的复合抗菌涂层。该涂层具有抗菌与可生物降解层交替的三明治结构(图1),从而实现在抗菌表层因持续杀菌导致表面细菌残骸吸附而失效后,通过降解和剥落表层物质使抗菌表面得到再生,从而再次获得较好的杀菌功能。

图1. iCVD沉积过程与杀菌降解过程示意图。

由于不同器械在体内留存时间的差异,需要可再生抗菌表面的再生时间在一定时间范围内具备可调节性。基于此,在前期制备可生物降解PMAH的基础上,进一步制备了MAH与MAA以及MAH与EGDA的共聚物,从而实现了可降解层降解时间从几分钟到几天的拓展。

图2. 不同降解层在模拟人体环境中的降解测试

图3. 复合涂层在不同循环抗菌测试后性能测试及其表面形貌表征。

对表面涂覆了“抗菌-降解-抗菌”复合涂层(P(DE-ME3-DE)的医用导尿管进行了重复杀菌循环测试,并与未处理导管以及仅涂覆单层抗菌涂层的导管作对比。在初次杀菌测试后,将各导管浸置于菌液中4小时作为一个菌液接触循环。单一功能的抗菌涂层在初次杀菌后,表面黏附有大量死细菌及细菌残骸,影响了之后表面与细菌间的接触,使得杀菌功能逐渐降低(如图3)。而复合涂层由于降解层的存在,在降解的同时可成功将黏附了细菌污染物的表层一起剥离材料表面,从而裸漏出新的抗菌涂层,再次恢复优良的杀菌效果。SEM和Live/dead viability assay荧光显微图同样证实了复合涂层的可再生抗菌性能。

图4. 复合涂层对大肠杆菌的抗菌测试荧光图(Dead/live viability assay)

图5. 含不同降解层的可再生抗菌涂层杀菌率与再生时长及在不同溶液环境中的杀菌与再生效果

通过引入含有不同成分的降解层进一步制备了多种可再生抗菌涂层,并进行了杀菌、降解、杀菌测试(如图5)。结果发现,可成功得到再生时间为30 min-72 h不等的可再生抗菌涂层,并且降解后杀菌效率均高达约95%以上。为了更贴近于实际应用场景,将涂覆可再生抗菌涂层的导尿管样品置于不同pH的尿液中进行杀菌降解测试,样品依旧可以正常降解再生,并在再生后保持优良的杀菌功能。

由于iCVD过程温和可控、无溶剂参与、可有效保留官能团,为制备多功能复合涂层提供了更多的可能。可降解层的加入延长了抗菌持续时间的范围,这使其有可能应用于留置医疗设备。同时,根据应用场景需要,还可以通过增加交联度、调控涂层厚度、增加涂层层数来实现持续抗菌时间的进一步延长。因此,该方法可以为抗菌表面的发展提供一条新的途径,以提高对生物膜形成的持续抵抗力。

相关论文发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上,宁波大学研究生苏翠翠为文章的第一作者,叶羽敏副教授、竺亚斌教授为共同通讯作者。

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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

导师介绍

叶羽敏

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

竺亚斌

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

(本稿件来自ACS Publications)

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