中心靜脈導管、靜脈留置針套管等血液接觸導管引發的細菌感染是臨床上常見的感染問題，這一問題縮短了導管的使用時間，并且給患者帶來額外的痛苦和的經濟負擔。在導管使用過程中，細菌在導管表面的定植與繁殖是導管相關感染發生的前提，因此發展具有接觸殺菌功能的醫用導管表面具有重要的意義。同時，血液中富含蛋白質等生物大分子與血細胞，這也對殺菌表面的抗污性能與生物安全性提出了更高的要求。徐福建教授團隊針對血液接觸導管材料的抗菌功能化問題，在聚氨酯材料表面設計并構建了抗菌肽修飾的層級結構聚合物刷，可以有效清除與材料表面接觸的細菌，同時具備良好的抗污性能與血液相容性，這一成果近期發表在Biomacromolecules（DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01060）。

為了在保證生物安全性的前提下，實現高效的接觸殺菌效果，徐福建教授團隊通過表面引發活性嵌段聚合的方法在聚氨酯表面構建了具有層級結構的聚合物刷（PU-DMH），這種聚合物刷以兩性離子聚合物為底層、以多羧基聚合物為頂層，并通過帶有弱正電的抗菌肽對聚合物刷進行后修飾（圖1）。PU-DMH在使用過程中，底層的兩性離子聚合物可以形成水化層，避免蛋白質及細菌等通過疏水作用在表面粘附，頂層的多羧基聚合物在生理條件下帶有負電荷，對蛋白質及細菌可以產生靜電排斥作用，同時羧基為抗菌肽的引入提供了豐富的反應位點，能夠為表面提供接觸殺菌性能。

圖1. 基于層級結構聚合物刷進行表面抗菌功能化

本研究的結果表明，PU-DMH在靜態條件下能夠有效殺滅與表面接觸的細菌，同時可以防止死亡細菌在表面的堆積（圖2）。為了進一步評價材料在臨床使用條件下的抗菌性能，通過體外循環實驗對靜脈注射過程中的流體力學環境進行了模擬，結果顯示PU-DMH在模擬工況下具有良好的接觸殺菌效果，且經過48小時的循環抗菌實驗，表面依然能夠抵抗死亡細菌的大量積累（圖3）。由于PU-DMH優異的抗污性能，這類材料的抗菌性能不受蛋白質的影響，在含蛋白質的培養液中仍然具有高效抗菌的性能。此外，PU-DMH不引起溶血，并能夠防止血細胞在表面的粘附，這對延長導管使用時間具有重要的作用（圖4）。在動物實驗中，PU-DMH能夠防止由金黃色葡萄球菌引發的感染，展現出了優異的體內抗感染效果。本項研究工作為血液接觸醫用導管材料的抗菌表面功能化提供了新的策略與設計思路。

圖2. 功能化表面PU-DMH的靜態抗菌效果：（a） 表面細菌的粘附及存活情況；（b） 表面死、活細菌定量分析

圖3. 在模擬臨床使用條件下，PU-DMH的殺菌、抗污性能：（a） 實驗裝置示意圖；（b） 表面細菌的粘附及存活情況；（c） 表面死、活細菌定量分析

圖4. 功能化表面PU-DMH的血液相容性

以上成果以Antimicrobial Peptide-Conjugated Hierarchical Antifouling Polymer Brushes for Functionalized Catheter Surfaces為題，發表在Biomacromolecules（2019, DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01060）。論文第一作者為北京化工大學2018級碩士研究生張欣陽，通訊作者為北京化工大學徐福建教授、段順副教授和丁雪佳教授。該研究受到國家重點研發計劃（2016YFC1100404）資助。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01060