中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

对抗9种细菌!把离子凝胶涂在医疗器械表面实现医用抗菌防污

2021-02-23

2050年,耐药菌感染预计每年将导致多达1000万人死亡,全球经济损失100万亿美元。目前正在同步发生抗药性病原体的出现与新药发现的严重下降。因此,迫切需要开发替代技术来预防和治疗抗药性细菌感染。大多数细菌感染是由生物膜引起的,生物膜群落可以在几小时内发育,并且对多种抗生素表现出越来越强的抵抗力。尿路感染(CAUTIs)通常是由细菌生物膜形成引起的,生物膜结壳会完全阻塞手术期的导尿管,妨碍正常功能并在手术切除时给患者带来痛苦。在测试流通池和留置导尿管添加涂层是防止感染的最有效方法,然而,涂层不能杀死微生物,在防止生物膜形成方面表现不佳,设计改进方法和材料迫切需要。

美国宾夕法尼亚大学Cesar de la Fuente-Nunez团队使用化学气相沉积(iCVD)在物体表面形成聚合物涂层,随后将之浸泡在离子液体(IL)中形成离子凝胶。负载IL的离子凝胶表面在静态和动态测试中均能杀死细菌,因此具有很高的抗菌防污活性(图5),该涂层具有各种应用:包括水处理、高接触区域和医疗设备的净化及防污(图6)。离子凝胶覆盖的导管可减少摩擦(对患者的刺激性降低)、感染风险降低、去除结垢。与容易产生抗药性的常规抗生素相反,IL测试组中的细菌菌株未检测到抗药性(图4 B–D)。这种基于IL的抗生物膜表面价格低廉易于制造,可以在玻璃,乳胶,塑料和金属表面上形成,能应用在导管和其他需要高局部浓度抗菌剂的医疗设备。成果“Coatable and Resistance-Proof Ionic Liquid for Pathogen Eradication”发表在《ACS Nano》

【离子凝胶形成】
单体(N,N-二甲基丙烯酰胺),交联剂(二甘醇二乙烯基醚)和引发剂分子以蒸气形式引入腔室,通过加热细丝以激活引发剂,促进单体聚合,并在细丝下方交联到基材上。然后浸泡疏水性IL,(2-己基乙基)乙烯二铵双(三氟乙烷磺酰基)酰胺[Tf2N]以形成离子凝胶。

图1.表面涂层离子凝胶形成示意图。(A)在iCVD腔室内,单体、交联剂、引发剂分子以蒸气形式引入腔室。加热细丝激活引发剂以促进单体的聚合并在细丝下方交联到基材上。(B)在透明导尿管部分上交联的聚合物的iCVD保形膜形成的图示。(C)聚合膜用IL浸泡。(D)膜在IL浸渍形成离子凝胶。
【IL的抗菌活性】
亚微摩尔浓度级别的IL可抑制液体培养基中九种临床相关细菌致病菌株的生长(图2 A,B):革兰氏阴性细菌(鲍曼不动杆菌ATCC19606,大肠杆菌AIG221,大肠菌素耐药性大肠杆菌AIG222,大肠杆菌ATCC11775,肺炎克雷伯氏菌ATCC133883,铜绿假单胞菌PAO1和铜绿假单胞菌PA14,肠炎沙门氏菌RGF)和革兰氏阳性菌(金黄色葡萄球菌ATCC12600)。将细胞鲍曼不动杆菌ATCC19606(图2 D)和铜绿假单胞菌PAO1(图2 E),将它们分别加入有伤口小鼠的背部表面,小鼠体重无变化,且无皮肤刺激和炎症的迹象,说明该模型中IL的无毒性(图2 F,G)。

图2. IL的体内抗菌特性和抗感染活性。(A)在体外对鲍曼不动杆菌(菌株ATCC19606)、大肠杆菌(菌株ATCC11775,AIG221,和AIG222,粘菌素抗性)、肺炎克雷伯(株ATCC133883)、铜绿假单胞菌(菌株(PAO1和PA14)、肠炎链球菌(菌株RGF)和金黄色葡萄球菌(菌株ATCC12600)的MIC测定。(B)鲍曼不动杆菌ATCC19606和铜绿假单胞菌PAO1的最小杀菌浓度(MBC)。(C)IL在小鼠中的抗感染活性。(D)鲍曼不动杆菌ATCC19606和(E)铜绿假单胞菌PAO1的CFU。以小鼠的体重变化来监测(F)鲍曼不动杆菌ATCC19606和(G)铜绿假单胞菌PAO1的毒性。
【IL的耐药性】
为期20天的纵向实验(图4 A)表明病原铜绿假单胞菌PAO1、野生型菌株(大肠杆菌AIG221)、菌株耐粘菌素/多粘菌素E,(大肠杆菌AIG222)和ypermutant菌株(大肠杆菌Δ mutS)对IL均无产生抗药性。传统的抗生素(环丙沙星和多粘菌素)容易产生耐药性,需增加2048倍剂量才能杀死细菌。

图4.长时间暴露于IL后细菌抵抗力的演变。(A)耐药性分析方法的示意图。(B)野生型大肠杆菌,(C)抵抗大肠菌素的大肠杆菌和(D)高变大肠杆菌暴露于IL后MIC变化或环丙沙星连续传代20天后的细菌抵抗力。
图5.离子凝胶涂层对铁离子的螯合。(A)通过将离子凝胶涂层的导管浸入铁离子溶液进行铁螯合。(B)铁螯合后,导管段的SEM照片。(C)EDS光谱显示涂层前导管的元素组成。(D)EDS光谱。
【离子凝胶涂层的抗生物膜功能】
作者通过在动态和静态条件下用暴露于细菌的IL涂覆的玻璃状流通池表面进行生物膜形成测定,对生物膜细胞进行了染色,并用共聚焦显微镜对样品进行分析,以评估IL涂层的抗生物膜功能。细菌无法在涂有IL的表面上形成生物膜(图6 B)。与未涂覆的导管相比,涂覆IL的导尿管包含的细菌细胞少5个数量级(图6 C,D)。聚二甲基丙烯酰胺薄膜没有防污活性,但浸有IL的薄膜则有很强的防污性。尽管生物膜是造成绝大多数不可治愈的细菌感染的原因,但目前拥有的大多数医疗设备都没有抗生物膜的特性。抗微生物和抗生物膜材料通常很昂贵且难以制造。因此,这种IL涂层材料在静态和动态条件下均能防止生物膜形成的能力说明它们的临床适用性。

图6. IL涂层材料的抗生物膜活性。(A)涂有交联聚二甲基丙烯酰胺层的载玻片可防止细菌生物膜形成。(B)防止玻璃表面形成生物膜。(C)在iCVD腔室中(右),将导管管段涂上一层交联聚二甲基丙烯酰胺薄膜,使其水平(Reg CVD)或垂直(CVD)取向。(D)离子凝胶涂料显示出非常高的抗菌和防污活性。
【总结】
总之,作者证明了通过将疏水性IL功能化到玻璃状和聚合物表面上来预防细菌感染。IL在体外对9种病原体表现出有效的抗菌活性、不选择细菌耐药性,并且在体内显示出抗感染活性。形成的涂层材料可完全阻断铜绿假单胞菌形成生物膜。IL被固定形成离子凝胶,其抗菌活性得以保留,同时使离子凝胶涂覆的表面无菌。离子凝胶膜在苛刻的流动条件下24小时后仍有高度的抗菌性和生物膜抗性。这种基于IL的表面可附着在任何表面,并且可对其物理和抗菌特性进行优化,使其适用于一系列临床和工业应用。

文章及图片来源:高分子科学前沿