四川大学王云兵教授课题组MAT SCI ENG C-MATER：纳米颗粒构建的超亲水平台协同抗菌性能增强伤口愈合
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医疗器械的感染已造成了严重的医疗负担，其中，植入医疗器械和伤口敷料正面临着由生物膜形成和耐药微生物增加带来严重并发症的严峻挑战。目前，只有抗生素药剂被广泛应用于临床，然而过度的使用抗生素将导致高的剂量依赖和耐药菌的产生。
器械感染的初始阶段是细菌迁移至器械表面并发生可逆的粘附，而器械与机体接触后在材料表面粘附和变性的非特异性蛋白会进一步促使细菌粘附并使细菌从可逆粘附转变为不可逆粘附，从而形成生物膜。因此，研发一种由抗污性能和抗生素释放协同作用模式的新型抗感染涂层可能是一个积极的方向。据研究报道，超亲水表面不仅具有优异的抗污性能，而且还具有良好的生物相容性。目前被广泛使用的超亲水涂层主要包括聚乙二醇分子刷和两性离子聚合物涂层，然而这两种涂层的使用都有一定的限制，如高度依赖表面修饰密度、表面均匀性和聚合物链长度等，此外，两种涂层的免疫原性和稳定性也是需要考虑的问题。四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心王云兵教授团队构建了一种由复合纳米颗粒堆积形成的超亲水平台协同抗菌性能增强伤口愈合的新型涂层。
图1.(a)多巴胺溶液与NOR反应的UV-Vis光谱；PDA、PDA/NOR和PDA/CEP涂层的(b)ATR-FTIR和(c)XPS结果；(d)新鲜样品和(e)用PBS及空气处理样品的WCA；(f)在基底为静电纺PCL膜、SS和Si上制备的超亲水涂层；(g)样品的形貌SEM图。
在高碘酸钠的作用，多巴胺与抗生素发生快速氧化、聚集形成聚多巴胺/抗生素的复合纳米颗粒并沉积在不同的基底材料表面。涂层表面大量的亲水基团如羧基、氨基、酚羟基，协同微纳拓扑结构，使得该复合纳米颗粒涂层的水接触角小于5°，具有优异的长效超亲水性能(图1)。
图2.FITC标记的蛋白在材料表面吸附的(a)荧光图和(b)荧光定量；(c)QCM实时监测BSA在材料表面的吸附；粘附在样品表面的巨噬细胞的(d)荧光图、(e)细胞数量和(f)细胞的吸光度值以及炎症因子(g)TNF-a、(h)IL-6的释放。
该超亲水涂层具有优异的抗污性能，不仅可以有效的抑制蛋白质的粘附和变性，同时也可以有效的抑制巨噬细胞在材料表面的粘附和激活，从而减少炎症因子的释放(图2)。
图3.(a)涂层中抗生素的释放行为；(b)在不同样品周围形成的抑菌圈；(c)样品表面粘附细菌数量及(d)细菌活/死状态荧光图；超亲水涂层通过长时间UV辐照后的(e)WCA和(f)表面形貌；(g)UV辐照前、后样品表面的粘附细菌的吸光度值。
抗生素负载的超亲水涂层具有药物突释现象，在第一天内释放了约40%的抗生素，这对抑制细菌感染具有重要的意义；同时，在超亲水平台的协同作用下，PDA/NOR和PDA/CEP涂层具有优异的抗菌性能(图3)。
图4.沉积和未沉积涂层的静电纺PCL膜的(a)形貌SEM图、(b)WCA及(c)吸水率；(d)PCL膜为基质的样品的溶血率及(e)抑菌圈图。
将涂层PDA,PDA/NOR和PDA/CEP沉积在疏水材料PCL膜表面后，不仅可以使样品获得超亲水性能还可以有效的吸收水分，这对吸收伤口组织分泌液具有积极的作用。由于涂层的非材料依赖性能，以PCL膜为基底的抗生素负载涂层同样具有优异的抗菌性能。另外，作为一种血液接触材料，涂层对红血球的作用也是安全的(图4)。
图5.不同敷料处理伤口后的(a)伤口愈合状态及(b)伤口愈合率。
图6.不同敷料处理7天和14天后组织的H&E、 Masson和anti-CD68染色结果。
与传统的敷料相比，PCL-PDA/NOR和PCL-PDA/CEP伤口敷料具有诸多优势，首先，超亲水抗菌涂层具有优异的物理性能，如固有的多孔结构、优异的吸水性可以吸收多余的渗出液、维持环境相对湿润状态并为伤口组织输送营养；其次，敷料具有优异的抗炎特性，可以抑制伤口炎症，促进组织再生；最后，涂层具有广谱的抗菌性能，可以防止进一步感染和慢性伤口的形成。通过SD大鼠全皮肤切除后伤口愈合试验发现，PCL-PDA/NOR和PCL-PDA/CEP伤口敷料可以显著的加速皮肤伤口的愈合(图5)；同时，该敷料还可以有效促进表皮、真皮、毛囊和皮脂腺组织等皮肤附属器的再生(图6)。
基于贻贝灵感的多功能新型超亲水平台具有优异的抗菌、增强伤口愈合性能，且制备过程简单，涂层结构稳定、安全。表明这种由超亲水性能提供的抗污平台为修饰满足抗菌和促进伤口愈合的医疗器械打开一个新的视野。
该论文工作由四川大学国家生物医学材料工程技术研究中心王云兵教授团队完成，并发表在Materials Science & Engineering C上，论文第一作者是博士后李林华，通讯作者是王云兵教授和杨立老师。
四川大学王云兵教授团队主页：
https://m.x-mol.com/groups/wang_yunbing
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0928493121006755
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