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可自愈合的抗菌涂层更好地抵御细菌侵袭

发布日期:2019-07-05

体内植入物在使用过程中容易成为各种微生物粘附、繁殖的温床,从而造成病菌感染。病菌感染是造成体内植入手术失败的重要原因之一,轻则必须取出植入物,重则造成死亡。仅以导尿管举例,美国每年因导尿管引起的尿道感染就造成超过4亿美元的损失。因此,改善植入物的表面性质,减少细菌在植入物表面的粘附尤其重要。在植入物表面制备抗菌涂层是比较行之有效的一种方法,目前常见的抗菌涂层往往存在负载的药物释放行为难以控制、涂层易损伤等问题,限制了抗菌涂层的有效应用。利用抗菌高分子制备具有表面抗菌活性、且具有自愈合效果的抗菌涂层能够更好地阻止细菌对植入物表面的粘附和污染。

 

西北工业大学黄维院士团队李鹏教授课题组长期关注于抗菌高分子材料的设计、合成以及生物材料表面抗菌涂层的构建。近来,该课题组与西北农林大学王林副教授合作,通过在聚乙烯亚胺 (PEI)上修饰疏水的烷基侧链,得到了癸基-聚乙烯亚胺(DPEI),能够有效提高PEI对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等典型条件致病菌的抗菌活性。并且DPEI在水溶液中能够自组装形成胶束,利用DPEI胶束和聚丙烯酸(PAA),通过层层自组装(LbL)的方法制备了在损伤后可在短时间内自愈合的抗菌涂层,如图1所示。

 

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图1. 利用DPEI制备可自愈合抗菌涂层的过程示意图

 

经过实验表明,该涂层短期内能够有效阻止90%以上细菌的粘附;通过进一步的长期抗生物被膜测试,发现该涂层能够有效阻止生物被膜的形成,与硅橡胶对照组相比,菌落总数可减少99%以上(2.68个对数, 图2)。

 

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图2. DPEI/PAA 涂层的抗生物被膜效果,对照组(a, b),DPEI/PAA涂层(c, d)。

 

抗菌涂层在运输、保存、使用过程中容易受到外力损伤,暴露出基材表面,细菌容易在裸露的基材表面粘附、增殖,削弱涂层的抗菌效果。因此制备可自愈合的涂层对提高抗菌涂层的稳定性、延长涂层的使用时间具有重要的意义。基于分子间可逆的相互作用力与分子的流动性,本文中制备的DPEI/PAA涂层能够在湿润的情况下,快速实现自愈合,结果如图3所示。(DPEI/PAA)*59.5涂层可以在30 min内完全实现自愈合,并能实现多次重复损伤后的自愈合。

 

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图3. DPEI/PAA涂层的自愈合效果:(a)(DPEI/PAA)*29.5,(b)(DPEI/PAA)*59.5,(c)(DPEI/PAA)*59.5的五次重复损伤与自愈合。

 

更重要的是,该涂层能够通过自愈合有效减少细菌对划痕损伤区域的粘附和污染,确保涂层的抗菌效果,如图4所示。

 

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图4. 自愈合对抗菌涂层性能的影响:(a, b)不可自愈合的涂层在受损伤的区域沾染了大量病菌;(c, d)可自愈合的DPEI/PAA涂层在受到损伤后可快速愈合,避免了病菌对损伤区域的污染。

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