医用高分子材料表面机械抗菌研究进展

背景介绍

植入式医疗器械表面产生的细菌黏附可引起灾难性感染，给患者带来极大的痛苦和经济压力。在医疗器械改性时使用抗生素，细菌抗生素耐药性变得越来越大。与此同时，材料表面的化学修饰在防止细菌积聚和因此接近方面具有差的长期性能，通过机械表面形貌实现杀菌作用近年来变得越来越重要。本文介绍了高分子材料表面改性后用于机械杀菌效果的进展，重点是了解纳米结构和细菌细胞壁之间的相互作用、有效的纳米结构杀菌表面的基本设计参数以及杀菌机理模型。  

主要的抗菌手段

  细菌黏附于医疗器械表面的初始阶段，可快速增殖形成一层致密生物膜，一旦生物膜开始形成，抑制细菌增殖将变得相当困难。高分子医 疗器械表面大多数不具有杀菌作用，因此，抗细菌吸附、抗生物膜形成，是医用高分子料表面改性的主要方向现存抗菌材料的抗感染途径主要包括了抗细菌黏附、接触杀菌及药物释放杀菌、机械杀菌4类。机械杀菌是利用材料表面特殊拓扑结构实现抗菌效果，最具代表性的材料为黑硅。抗黏附涂层和接触杀菌涂层主要是通过化学接枝手段实现长链高分子聚合物（如聚乙二醇等）或抗菌物质（如季铵盐等）的材料表面固定化。黏附涂层在抑制细菌黏附的同时也可能影响损伤修复细胞的黏附，通常表现为有一定的细胞毒性。

细菌细胞壁分类 

  细菌细胞壁是一种多层结构，可为细菌提供强度、刚度和形状，并保护细菌免受渗透破裂和机械损伤，机械杀菌的机制就是破坏细菌细胞壁的过程。根据其结构、组分和功能，细菌细胞壁可分为两大类：革兰阴性和革兰氏阳性。革兰氏阴性细胞壁是由外膜和一层7~8 nm的肽聚糖组成，外膜和肽聚糖通过脂蛋白连接，肽聚糖又位于外膜和细胞质膜之间的周质内。外膜含有一种可以穿过膜的、亲水的小分子孔蛋白以及延伸到细胞外空间的脂多糖（LPS）分子。外膜中的这些成分对于革兰氏阴性细菌的结构完整性和活力是必不可少的。革兰氏阳性细胞壁含有一层厚的30~100 nmPG层（比革兰氏阴性细菌厚4~5倍），它其中含有磷壁酸和脂磷壁酸，磷壁酸附着并嵌入PG层中，而脂磷壁酸延伸到细胞质膜中。

医用高分子材料表面改性后杀菌效果 

  有研究表明，使用纳米压印光刻来制作聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）表面的仿生纳米柱后并接种大肠杆菌，相较于在平坦的PMMA表面上大肠杆菌呈形态正常的棒状，在拥有纳米柱的结构上，当细菌伸展在几根柱子上时，细菌出现了萎缩，柱子上不规则的（块状）细菌表明细胞已经破裂，膨胀压力已经消失。柱状表面与平面相比具有较低的黏附细菌密度（平膜上67％~91％的密度）。此外，黏附的大部分大肠杆菌死于柱状表面（死亡部分比平膜上高16％~141％）。研究还指出，较小间距的纳米柱具有更好的杀菌性能。最小间距且最小的纳米柱与平面对照相比，在24 h内将细菌水性悬浮液中的负荷降低了50％。通过对细胞取向数据的定量分析，确定最佳纳米柱间距的最小阈值在  130~380 nm之间。细菌细胞长度的测量也表明纳米柱对大肠杆菌形态产生不利影响。总之，这项工作表明，具有精确尺寸的几何形状的印迹聚合物纳米结构可以在不进行任何化学修饰的情况下杀死细菌。 

纳米结构表面的机械特性对其杀菌功效的影响

纳米结构表面的杀菌活性取决于几个参数，例如纳米结构的尺寸、形状和间隔/密度。这些结果表明，可以通过纳米结构的密度和直径来调节杀菌效率。然而，他们没有解释具有较小直径和较高密度的较高杀伤效率背后的潜在机制。细菌和纳米结构表面之间的黏附强度是纳米结构中的重要元素，诱导细胞破裂。细菌细胞壁和表面之间的较大黏附力导致给定纳米结构几何形状破裂的可能性很高。细菌与纳米结构表面的黏附取决于表面的疏水性/亲水性和细胞膜组成。当受到纳米结构表面的挑战时，细菌将通过增加与多个锚定点的接触面积来尝试沉积在纳米结构表面上。在该拉伸过程中，当细胞壁达到作用于其上的应变的阈值极限时，细胞壁破裂可以发生。如果存在于表面上的纳米结构是柔韧的，则它们可能弯曲并且更难以获得拉伸的细胞壁破裂的阈值应变。因此，这种柔韧性可能使细菌使纳米结构变形，使得微生物可以在“钉床”上沉降和增殖。