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  醫(yī)療器械引發(fā)的細(xì)菌感染是當(dāng)前臨床醫(yī)學(xué)上的常見問題，通常會引起各種嚴(yán)重的并發(fā)癥，給患者帶來痛苦，甚至可能導(dǎo)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(jìn)行治療，引發(fā)的后果更為嚴(yán)重。由于細(xì)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(xì)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(xué)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(yīng)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(jìn)行了有機(jī)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(xué)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(jī)/無機(jī)復(fù)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(xì)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(yīng)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(xué)會旗下的學(xué)術(shù)期刊ACS Nano。

圖1 有機(jī)/無機(jī)復(fù)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(jī)層。在無機(jī)層之上，修飾末端為巰基的硅烷偶聯(lián)劑，構(gòu)成有機(jī)層，復(fù)合涂層的整體厚度約為80 nm，對于PU的光學(xué)性能影響較小，從而方便臨床上的實際操作（圖1）。在復(fù)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(xì)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(xì)菌的可能性。

圖2 有機(jī)/無機(jī)復(fù)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(dá)到滅活細(xì)菌的有效溫度（圖3）。由于Au-S鍵的高穩(wěn)定性，復(fù)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(fù)合涂層的長期使用。

圖3 復(fù)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(dāng)材料表面遭遇細(xì)菌侵襲時，PU-Au-PEG首先依靠其固有的抗污性能降低細(xì)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(xì)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(xì)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(fù)合涂層的高穩(wěn)定性，PU-Au-PEG可以連續(xù)多次對抗細(xì)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(fù)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(jìn)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(xì)菌，在1天內(nèi)即可防止感染的發(fā)生。同時，復(fù)合涂層的抗污作用降低了死亡細(xì)菌及免疫細(xì)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(fù)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(xì)菌存活情況；（d）皮下組織的感染情況

  PU是腹壁疝修補(bǔ)的常用材料，為驗證復(fù)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(jìn)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(yīng)，殺滅引發(fā)感染的細(xì)菌，從而有效治療了感染性腹壁疝，保護(hù)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(fù)合涂層對于細(xì)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(yīng)用，2016YFC1100404）的支持。

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