经皮器械的使用通常会破坏软组织屏障，从而增加细菌入侵的风险。细菌的粘附、增殖以及形成生物膜等行为均会引起宿主过度的炎症反应，从而导致周围组织的损伤和医疗器械的失效。天然牙体作为最耐久的天然“经皮器械”，具有优异且持久的微生物屏障功能。其细菌防御功能主要来源于两个方面：牙龈和牙齿之间的紧密连接可以阻止细菌进入结缔组织和牙槽骨；牙龈通过响应性分泌抗菌物质和免疫调节功能杀死入侵的细菌。
受牙周组织启发，四川大学高分子科学与工程学院李建树教授/徐心源助理研究员团队设计并制备了一种用于预防经皮器械感染的细菌防御水凝胶（图1）。该水凝胶通过密封生物组织和医疗器械的界面以及捕获杀死入侵细菌，模拟类牙周组织紧密附着和响应性清除细菌的结构功能，实现预防经皮器械周围细菌感染的用途。HPC水凝胶制备过程如下：利用没食子酸（GA）修饰的壳聚糖和聚乙烯亚胺（PEI）两种物质在紫外光交联的水凝胶基质内引入酚氨化学反应。该反应不仅有助于提高凝胶内部交联密度，同时可以防止多酚氧化后的黏附性能下降。红外和核磁谱图证明没食子酸成功接枝于壳聚糖，冷冻扫描电镜展示出水凝胶具有纳米级孔洞和典型三维结构，XPS测试证明水凝胶内部存在酚-氨化学的反应产物（图2）。水凝胶的机械性能、黏附能力以及抗菌性能被进一步表征。结果显示，HPC水凝胶具有剪切稳定性和良好韧性，对软组织和固体材料表面均具有普适性黏附能力，进而能够封闭软组织和器械间的界面（图3）。HPC水凝胶对E. coli和S. aureus两种细菌的杀灭率最高达到99.9%，展现了优秀的抗菌效率。CLSM和SEM图像证明水凝胶可以捕获并杀死细菌（图4）。最后，作者设计了细菌入侵实验模型测试水凝胶的细菌防御功能，结果表明HPC水凝胶能够在24小时内阻挡细菌向下侵袭，同时保护底部细胞不受损伤（图5）。此外，体外细胞毒性和体内刺激试验均证明HPC水凝胶具有良好的生物相容性。综上，HPC水凝胶是一种新兴的通用型预防经皮器械周围感染的候选材料，有望保护周围深部组织。图1 受牙周组织启发的具有屏障和杀菌能力的细菌防御水凝胶示意图图2 CS-GA和HPC水凝胶的合成和表征。（A-C）CS-GA的合成路线、红外图谱和核磁氢谱。（D）HPC水凝胶的Cryo-SEM图像。（E）HPC0.5-30水凝胶的XPS图谱。图3 HPC水凝胶的流变、拉伸和粘附性能。（A）HPC水凝胶的G’和G"在应变模式下的变化。HPC水凝胶的（B）应力-应变曲线和（C）拉伸强度和韧性。（D）HPC水凝胶粘附于不同基质和密封组织-器械界面的图片。（E）测试HPC水凝胶粘附性能的装置和过程示意图。HPC水凝胶在（F）猪皮和（H）Ti-6Al-4V合金上的粘附力-时间曲线。HPC水凝胶在（G）猪皮和（I）Ti-6Al-4V合金的粘附强度和脱粘能。图4 HPC水凝胶的抗菌性能。（A）在HPC水凝胶表面培养后活细菌在琼脂平板上的典型照片。（B）HPC水凝胶的杀菌率。（C）细菌在HPC水凝胶表面培养后的CLSM图像（活菌经STYO 9染色后呈现绿色荧光，而死菌经PI染色后呈红色荧光)。（D）HPC水凝胶表面培养后细菌形态的SEM照片。（E）HPC水凝胶捕获和杀灭细菌的机理示意图。图5 HPC水凝胶的细菌防御和细胞保护功能。（A）细菌入侵实验模型示意图。（B）不同时间间隔LB培养基的OD值。（插图）培养板的顶部和底部视图的照片，分别显示水凝胶表面和培养基底部。（C）引入L929细胞后的细菌侵袭实验模型示意图。（D）细菌侵入的LB培养基与L929细胞共培养后的荧光图像（F-actin被鬼笔染色而显示红色荧光，而细胞核被DAPI染色而显示蓝色荧光)。（E）细菌细胞核和（F）L929细胞F-actin面积占比。（G）细菌侵入的LB培养基与L929细胞共培养后细胞释放LDH的百分比。上述工作以“Inspired by the Periodontium: A Universal Bacteria-Defensive
Hydrogel for Preventing Percutaneous Device-Related Infection”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文第一作者为2020级硕士孙辉，通讯作者为李建树教授和徐心源助理研究员，研究受到国家自然科学基金、中央高校基本科研经费和四川大学博士后交叉学科创新基金的资助。课题组网站：http://www.jianshu-scugroup.com化学与材料科学原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：chem@chemshow.cn
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