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  醫(yī)療器械引發(fā)的細菌感染是當前臨床醫(yī)學上的常見問題，通常會引起各種嚴重的并發(fā)癥，給患者帶來痛苦，甚至可能導致治療失敗、造成患者死亡。其中，耐藥菌引發(fā)的感染難以采用常規(guī)藥物進行治療，引發(fā)的后果更為嚴重。由于細菌在醫(yī)療器械表面的粘附與定植是引發(fā)感染的先決條件，因此，構(gòu)建高效的抗菌涂層是對抗此類感染的有效策略。在傳統(tǒng)的抗菌涂層中，抗污涂層能夠防止細菌的初期粘附，殺菌涂層可以滅活能夠引發(fā)潛在感染的病原菌，然而二者均存在各自的局限性。

  針對以上問題，北京化工大學徐福建教授課題組開發(fā)了一種具備固有抗污性能及近紅外響應殺菌功能的表面涂層，通過合理的設(shè)計與便捷的制備方法，將抗污涂層與殺菌涂層的優(yōu)勢進行了有機的結(jié)合，用于醫(yī)療器械的抗菌表面功能化。課題組的博士研究生趙玉清同學基于金納米棒（Au NRs）和超親水聚合物聚乙二醇（PEG），在聚氨酯（PU）這一常用的醫(yī)用材料表面，通過Au-S鍵構(gòu)建了有機/無機復合納米涂層（PU-Au-PEG）。這類納米涂層在通常狀態(tài)下具有良好的抗污能力，可以防止細菌在表面的定植；在受到近紅外線的照射時，涂層能夠通過光熱效應產(chǎn)生殺菌效果，從而徹底清除可能引發(fā)感染的病原菌（圖1）。本項研究工作以“Well-Defined Gold Nanorod/Polymer Hybrid Coating with Inherent Antifouling and Photothermal Bactericidal Properties for Treating an Infected Hernia”為題，發(fā)表于美國化學會旗下的學術(shù)期刊ACS Nano。

圖1 有機/無機復合納米抗菌涂層的構(gòu)建及其性能

  通過種子生長法，制備了直徑10 nm、長度40 nm的金納米棒，使用含有巰基的硅烷偶聯(lián)劑將金納米棒固定于PU表面，形成無機層。在無機層之上，修飾末端為巰基的硅烷偶聯(lián)劑，構(gòu)成有機層，復合涂層的整體厚度約為80 nm，對于PU的光學性能影響較小，從而方便臨床上的實際操作（圖1）。在復合涂層中，金納米棒提供了光熱性能，PEG能在體液中形成水化層，防止細菌通過疏水作用在表面發(fā)生粘附，而且伸展的聚合物鏈屏蔽了金納米棒的正電荷，也降低了表面通過靜電作用吸引細菌的可能性。

圖2 有機/無機復合納米涂層的形貌

  在波長808 nm近紅外線的照射下，PU-Au-PEG表現(xiàn)出了良好的光熱性質(zhì)。照射10分鐘后，材料表面溫度可升至55 °C，這一溫度可以達到滅活細菌的有效溫度（圖3）。由于Au-S鍵的高穩(wěn)定性，復合涂層具備持久的光熱性能，經(jīng)過12次升溫-降溫循環(huán)后，光熱性質(zhì)無顯著下降，這一性能有利于復合涂層的長期使用。

圖3 復合涂層的光熱性能及穩(wěn)定性。（a）熱成像照片；（b）溫度變化情況；（c）升溫曲線；（d）循環(huán)光熱性能

  當材料表面遭遇細菌侵襲時，PU-Au-PEG首先依靠其固有的抗污性能降低細菌粘附，并能夠在近紅外光的作用下產(chǎn)生升溫，滅活材料表面及其周邊的細菌。這一殺菌作用對于典型的革蘭氏陽性菌（含多藥耐藥菌）、革蘭氏陰性菌均具有良好的效果（圖4）。被殺滅的細菌在材料表面不發(fā)生累積，從而防止了表面污染的發(fā)生。由于復合涂層的高穩(wěn)定性，PU-Au-PEG可以連續(xù)多次對抗細菌的侵襲，同時對于生物膜的生成也有高效的抑制作用。

圖4 復合涂層的體外殺菌及抗污性能

  PU-Au-PEG的體內(nèi)光熱抗感染性能首先通過皮下感染模型進行了初步驗證（圖5）。由于近紅外線對于組織具有良好的穿透作用，PU-Au-PEG在動物體內(nèi)同樣展示出了顯著的升溫效果。材料表面溫度的升高可以消除體內(nèi)存在的細菌，在1天內(nèi)即可防止感染的發(fā)生。同時，復合涂層的抗污作用降低了死亡細菌及免疫細胞在材料表面的累積量，從而防止了感染性炎癥的發(fā)生。

圖5 復合涂層的體內(nèi)抗感染性能。（a）皮下感染動物模型；（b）體內(nèi)升溫情況；（c）材料表面的細菌存活情況；（d）皮下組織的感染情況

  PU是腹壁疝修補的常用材料，為驗證復合涂層在臨床條件下的抗感染效果，本項研究工作構(gòu)建了感染性腹壁疝動物模型，并通過PU-Au-PEG對其進行治療（圖6）。結(jié)果表明腹壁內(nèi)的材料可以在近紅外線的作用下產(chǎn)生顯著的光熱效應，殺滅引發(fā)感染的細菌，從而有效治療了感染性腹壁疝，保護了腹腔內(nèi)的重要器官。通過本論文的研究，為新型、高效、便捷的抗感染涂層技術(shù)提供了新的策略。

圖6 對于感染性腹壁疝的治療效果。（a）感染性腹壁疝動物模型；（b）抗感染性能；（c）復合涂層對于細菌的清除效果；（d，e）感染性炎癥的定性、定量分析

  本論文的第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院2018級博士生趙玉清，通訊作者為徐福建教授和段順副教授。同時，在研究的過程中，課題組也得到了Virginia Commonwealth University趙宏教授和北京市口腔醫(yī)院孫玉潔博士的大力協(xié)助。此項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃（抗菌材料表界面構(gòu)筑及應用，2016YFC1100404）的支持。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b09282