【研究综述】深圳清华大学研究院王松等：医用导管抗菌涂层的研究进展
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科学
2024-10-09 17:00
重庆
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导管相关性感染（CRI）作为目前常见的医院获得性感染之一，导致死亡率和发病率增加，极大影响了医疗质量与患者健康，避免导管在植介入人体时产生感染已成为临床共性问题。细菌定植形成的生物膜是造成导管相关感染的主要原因，通过在医用导管表面设计功能性涂层来限制细菌定植及生物膜形成能有效避免感染。本文从防污改性、杀菌改性及防污-杀菌改性3个方面综述了近年来医用导管表面改性策略。防污改性一般通过将亲水的非离子型聚合物（如聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮）以及两性离子聚合物制备在材料表面防止细菌及蛋白质黏附。杀菌改性根据机制可分为接触灭杀、释放灭杀和多机制联合灭杀，主要通过将杀菌剂接枝或负载在材料表面来赋予表面杀菌能力。防污-杀菌改性主要通过制备复合材料及聚合物刷、构建自适应表面及亲水聚合物负载杀菌剂等方式使表面同时具备防污及杀菌的能力。最后，在上述综述基础上对医用抗菌导管存在的问题进行了分析和展望，以期为制备应用于临床的高性能医用抗菌导管提供参考。医用导管常由高分子材料制备而成，包括聚氨酯、硅酮、乳胶、聚氯乙烯、硅橡胶、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯等，其中聚氨酯、硅橡胶和聚氯乙烯较为常用。然而，上述高分子材料大多具有较强的疏水性，容易黏附细菌和其他微生物，从而导致微生物定植和生物膜形成。因此，目前导管材料常通过添加防污涂层、杀菌涂层及防污-杀菌相结合等方式进行抗菌改性，如图1所示，详细给出了各种涂层种类的细分类别，本文也将按此架构图进行综述。![]()
蛋白质、细菌和其他微生物在人工表面上的自发积累称作生物污损（Biofouling）。医疗器械上的生物污损往往会带来严重后果，例如，在导管内部，蛋白质的附着为细菌黏附和生物膜形成提供了锚点，并可能导致血栓等副作用。因此，目前对医疗器械进行表面防污处理是防止HAI的重要措施之一。防污涂层通过排斥能够减少微生物的初始附着，但并不会对微生物造成伤害。目前进行防污改性最有效的方法是使用亲水聚合物，通过其水合作用来阻止微生物在材料表面黏附（机理如图2所示），进而实现防污效果。![]()
杀菌涂层是一种能够直接杀灭细菌的涂层，根据杀菌策略的不同可分为接触灭杀涂层（直接杀死接触的细菌）和释放灭杀涂层（释放杀菌剂来杀死附近细菌）2种（如图3所示）。本文将通过这2种杀菌策略及多机制联合杀菌涂层的构建总结目前的杀菌涂层导管研究进展。![]()
由于医用导管的工作环境复杂，不同类型导管在工作过程中除了接触细菌之外，还会经常接触到含有丰富血细胞和蛋白质的血液和体液。因此，医用导管上的功能涂层除了优秀的抗菌活性之外，还应具有如抗蛋白质黏附性及血液相容性等性能。由于单一防污/杀菌涂层效果的局限性，现在许多学者通过将这2种策略结合到一个涂层中，构建了同时具有防污及杀菌性能的多功能抗菌涂层，根据杀菌剂机制，细菌在接触到涂层表面或者在浮游状态时被灭杀，死细菌及有一定耐药性未被灭杀的细菌会因涂层本身的防污性能而不能黏附在涂层表面（抗菌机理如图4所示）。![]()
作为目前常见的院内感染之一，导管相关性感染给病人带来的痛苦和给财政带来的负担推动了导管抗菌涂层的发展。近年来，各种针对导管表面的改性策略不断被提出并改进，研究人员根据不同生物的抗菌机制构建了防污表面、接触灭杀表面、释放灭杀表面甚至同时具有这些性能的表面。本文主要从防污涂层、杀菌涂层及防污杀菌涂层3个方面展开，包括在防污涂层中应用广泛的亲水聚合物（聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、两性离子聚合物）、不同机制（接触灭杀、释放灭杀、多机制联合灭杀）的杀菌涂层以及不同制备方式（复合材料及聚合物刷、构建自适应表面、亲水聚合物负载杀菌剂）的防污-杀菌涂层。这些涂层均对防止细菌黏附、增殖及生物膜的形成提供了解决方案，降低了导管在人体内长期留置时感染发生的概率。
尽管如此，即使是在实验室条件下性能良好的涂层在转化为临床应用时也可能面临以下挑战。首先，在实验室研究层面可通过很多方法制备具有特定功能需求的导管，但在工业生产层面，复杂的生产流程和较高的制造成本往往会阻碍产业化过程。其次，目前许多涂层导管通过体外实验来评估，但人体体内环境更加复杂，体外实验不能很好预测临床结果，造成目前很多研究成果在体外和体内之间、临床及实验之间效果差距较大。另外，实验室评估涂层导管性能的试验周期往往较短，不能很好地评估长期留置期间涂层导管的稳定性、有效性等性能。尽管存在上述挑战，聚合物材料和涂层制备技术的更新依然使更多的抗菌导管应用于临床。未来，生物学、材料学、工程学领域的学者应和临床医生及工业界保持紧密联系，建立对产品和需求的更好理解，从而研发出能够应用于临床的抗菌导管。该文章发表在《表面技术》第53卷第16期。
引文格式：王瑞麟, 赖长洪, 何孟泽, 等. 医用导管抗菌涂层的研究进展[J]. 表面技术, 2024, 53(16): 51-67.
WANG Ruilin, LAI
Changhong, HE Mengze, et al. Research Progress of Antibacterial Coating for
Medical Catheter[J]. Surface Technology, 2024, 53(16): 51-67.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.16.004
