文献解读 || 深度解读具有多种应用场景的高效抗菌涂层！

研究背景

就目前常见固体材料而言，仅依靠其固有的表面性能通常不能满足实际所需，具备生物兼容性、耐腐蚀性以及抗菌能力的多功能材料具有广阔的应用前景。在实际应用之前对固体材料进行表面改性是极为常见的，许多表面改性策略较为复杂且不具备普适性，例如，化学气相沉积法适合工业大规模生产，但它需要昂贵的设备，同时可能会产生有毒的气体副产品。因此，开发一种简单可行的方法来实现对材料的表面改性，同时引入实际应用中所需的某些特性（如亲水性、抗菌能力等）是很有必要的。

工作介绍

西南大学Kang En-Tang教授、徐立群教授研究团队提出了一种简单、通用的表面改性方法。将植酸（PA）通过金属络合的方法对普鲁士蓝纳米颗粒(PB NPs)进行功能化处理，然后通过PA与阳离子聚合物(CP)之间的静电作用将其偶联，形成的PA-PB-CP网络聚集体可以沉积于各种不同几何形状的基材之上。同时，CP诱导的接触式杀菌作用和PB NPs产生的局部光热效应使基材具有较强的抗菌性能，PA-PB-CP修饰的生物医用植入物在近红外辐射下表现出了良好的生物相容性和协同抗菌效果，并可在体内外消除所附着的细菌。

Scheme 1. PA-PB-CP抗菌涂层的设计及抗菌作用示意图

该工作发表在Advanced Science上，IF=17.521。

研究思路
论文导读

Figure 1. PA-PB-CP抗菌涂层的形成与模拟

如Figure. 1a所示，PA-PB-CP抗菌涂层仅通过简单的超声、离心、静置等操作就可制备完成。经PA功能化的PB NPs粒径约为90 nm，元素分析证明其成功制备(Figure. 1b-c)。将PA-PB NPs与CP偶联后，静置2 h即可得到沉积于瓶底的PA-PB-CP抗菌涂层，其粒径增大至接近800 nm(Figure. 1d-e)。随后利用分子动力学模拟研究了CP和PA在水中的相互作用，无序的PA和PDDA分子逐渐在水溶液中聚集，旋转半径(Rg)的下降表明PA和PDDA之间发生了紧密堆积，二者之间主要作用方式为静电吸引和范德华相互作用能(Figure. 1f-h)。

Figure 2. PA-PB-PDDA抗菌涂层的表面沉积

PA-PB-PDDA抗菌涂层沉积于PDMS（聚二甲基硅氧烷）衬底后横截面扫描电镜图像见Figure. 2a。通过对涂层进行了Ar离子刻蚀验证PB NPs的存在，刻蚀后涂层中可见Fe2p信号，同时铁原子比随刻蚀周期的增加而增加(Figure. 2b-d)。PA-PB-PDDA抗菌涂层的XRD峰型与标准品PB NPs的结构一致，以上数据表明PA-PB-PDDA抗菌涂层已沉积于PDMS衬底之上。涂层的厚度随其中PB NPs的含量增加而增加，但水接触角测量显示，PB NPs含量对基材表面亲水性的影响并不显著(Figure. 2f-g)。随后探究了涂层沉积于不同材质：钛(Ti)、不锈钢(SS)、玻璃、硅(Si)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚醚醚酮(PEEK)以及不同形状(玻璃瓶、吸管尖端、硅胶和弯曲钛片)上的通用性。沉积涂层后基材表面颜色均发生了变化，除原本就保持亲水性的玻璃材质外，其余材质经涂层沉积后均由疏水转变为亲水(Figure. 2h-k)。以上结果表明，PA-PB-PDDA网络聚集体可以在各种材料表面形成涂层。

Figure 3. PA-PB-PDDA抗菌涂层的光热效应

用近红外(808 nm，0.75W cm^-2)照射PDMS表面并通过红外热像仪记录其光热效应。PDMS表面的温度随着辐照时间和PB NPs含量的增加而升高，并在大约4 min后达到平台期(Figure. 3a-d)。沉积有PA-PB-PDDA抗菌涂层的PDMS表面的ΔT随近红外功率密度的增加而增加，且呈线性关系(Figure. 3e-f)。通过重复加热和冷却循环测试了涂层的光热稳定性，经过10次循环后，涂层的峰值温度并未发生明显变化，表明其具有良好的光热稳定性(Figure. 3g)。将经修饰有涂层的PDMS浸泡在0.5 mL水中，经近红外照射5 min后，溶液温度可达到51.2℃(Figure. 3c,h)，说明涂层后的PDMS在不同使用场景下均可保持良好的光热性能。

Figure 4. PA-PB-PDDA涂层沉积于生物材料表面后的抗菌性能

生物医学假体的植入，如矫形植入物、牙科植入物、血管内支架和导管，往往会导致植入物感染问题。将PA-PB-PDDA涂层沉积于各种常见生物材料表面能够达到优异的抗菌效果(Figure. 4a-b)。为了阐明PA-PB-PDDA涂层的抗菌机理，对不同处理组中金黄色葡萄球菌的ATP活性、半乳糖苷（ONPG）水解活性、蛋白质渗漏以及GSH水平进行了评估(Figure. 4c-g)。结果表明，PA-PB-PDDA涂层的“接触杀灭”和光热效应对细菌的代谢活性和膜通透性有很强的影响(Figure. 4h-j)，其协同作用可有效杀死附着于各类植入物上的细菌。

Figure 5. PA-PB-PDDA抗菌涂层治疗皮下感染模型

在皮下感染模型中，进一步评估了PA-PB-PDDA涂层的光热性能。将不锈钢（SS）和PA-PB-PDDA涂层后的SS衬底植入大鼠背部。在近红外照射下，用红外热像仪记录植入SS衬底后皮肤区域的温度(Figure. 5a)。与涂层后的SS衬底接触的皮肤，其温度随着照射时间的增加而升高，温度差与植入的原始SS之间存在显著差异(Figure. 5b-c)。正常培养5天和10天后，取出衬底，通过涂布法对表面活菌数进行计数，与未修饰的SS衬底相比，改性SS衬底上附着的细菌数量显著减少，且光热处理后细菌数量进一步减少(Figure. 5d-e)。接触杀灭和光热治疗的协同作用使PA-PB-PDDA涂层具有良好的体内抗菌效果，苏木精-伊红(H&E)染色、炎症因子的表达（TNF-α和IL-6）均可证明PA-PB-PDDA涂层在体内治疗中表现出了良好的抗菌性能和抗炎活性(Figure. 5f-h)。
论文亮点
1.开发了一种新的表面改性方法，与以前报道的涂层相比，该抗菌涂层的制备不需要繁琐的处理，仅通过简单的超声、离心、静置即可得到稳定的网络聚集体。2.该涂层可以沉积在各种不同几何形状的基材上，并具备优异的稳定性，能抵抗中等程度的化学和物理处理。3.经该涂层改性的生物医用植入物能够实现细菌的“接触杀灭”和光热治疗，将经涂层改性后的不锈钢医用植入物植入皮下感染模型后，其表现出了优异的体内抗菌性能和抗炎活性。
结论

Xiaodong He, HuaJun Wu, Y an Wang, Yunjie Xiang, Kai Zhang, Xi Rao, En-T ang Kang,* and Liqun Xu*

Bimodal Antimicrobial Surfaces of Phytic Acid–Prussian Blue Nanoparticles–Cationic Polymer Networks. Advanced Science, 2023. DOI:10.1002/advs.202300354.

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