光介導抗菌涂層的研究進展*

姚添甜，李熇陽，任科峰，計 劍

(浙江大學 高分子科學與工程學系， 教育部高分子合成與功能構造重點實驗室 ，杭州 310027)

0 引 言

醫源性感染(Health care-associated infection, HAI)是病人在醫院或其他醫療機構接受治療時獲得的感染的統稱，主要包括尿路感染、手術部位感染、醫院獲得性肺炎、呼吸機相關感染等等[1-3]。HAI對病人的生命造成了嚴重威脅：根據世界衛生組織的報告，在發展中國家，病人HAI的平均患病率已高于10%。在拉丁美洲、亞洲和非洲，HAI會使得成年病人的死亡率分別增加約18%、24%和29%。同時，在歐美地區，HAI也導致了高達數十億美元的社會經濟損失。因此，近年來HAI已經成為全球性的重大公共衛生問題[4]。隨著現代醫學的發展，植/介入醫療裝置，如人工關節、人工血管、導尿管等，已在臨床治療中被廣泛使用。這使得植/介入醫療裝置引起的細菌感染逐漸成為醫源性感染最主要的組成部分之一。數據表明，美國每年僅因導尿管引發尿路感染的病人就高達上百萬。植/介入醫療裝置引發的醫源性感染往往起源于細菌在裝置表面的粘附和定植。細菌首先與裝置表面接觸，并進一步形成難以去除的細菌生物被膜。近些年來對抗生素的誤用和濫用，導致細菌耐藥性(Antimicrobial resistance，AMR)快速發展[5-6]。這使得植/介入醫療裝置表面引發的醫源性感染問題更加難以解決。

研究人員認為，抑制細菌在醫療裝置表面的粘附和定植是解決醫源性感染，抑制細菌進一步傳播的關鍵[4,7-9]。而在醫療裝置表面構建抗菌涂層不但可以賦予裝置抗菌性能，而且一般不會破壞裝置自身的機械性能[10-11]。這一方法與全身使用抗生素等藥物相比，減少了藥物用量，降低了產生AMR的概率；與臨床常用的手術治療相比，避免了對患者造成二次創傷。因此抗菌涂層被認為是最有效和最實用的方法之一，已逐漸發展成為抗菌領域的研究熱點[12-13]。

傳統的抗菌涂層常常選擇將抗粘附聚合物(如聚乙二醇[14-15]、兩性離子聚合物[16-19])或抗生素、抗菌肽、季銨鹽、金屬離子等抗菌劑固定或負載在涂層中[20-22]，實現抗菌效果。但是傳統抗菌涂層的應用同樣阻礙重重，首先細菌耐藥性的報道在近年來已經層出不窮，而新型抗生素的開發速度卻顯著降低。其次，新型抗菌劑的合成，如抗菌肽、季銨鹽等，均需要復雜的流程和較長的時間。

因此，研究人員致力于探索新型抗菌涂層策略，以應對植/介入醫療裝置引發的醫源性感染問題，從而降低病人的痛苦，減少公共衛生壓力。其中，光介導抗菌涂層是一種利用光照實現細菌殺滅的新型策略，因其獨特的作用機理受到了研究人員的關注。本文將光介導抗菌涂層分為兩類：光熱抗菌涂層和光動力抗菌涂層，總結了兩類涂層的作用機理和研究進展，并介紹了光介導抗菌涂層的發展趨勢。

1 光介導抗菌

光是自然界中最易于獲取的資源之一，在許多生物的生理過程中也扮演著重要角色。光介導抗菌就是在光照條件下滅活細菌的新型抗菌策略。一般而言，光介導抗菌策略主要包含紫外殺菌、光動力抗菌和光熱抗菌三類。

在生活中，紫外殺菌已被廣泛使用，這是由于紫外線具有兆焦級別的能量，能夠快速殺滅細菌。但是這種短波紫外線的組織穿透能力很弱，并且極有可能會對人體正常細胞造成傷害，威脅人類健康。光動力抗菌和光熱抗菌則使用組織穿透能力較好的紅光和近紅外光，分別產生活性氧和局部高溫從而殺滅細菌[5]。

與其他抗菌策略相比，光介導抗菌策略具有靈活可控、廣譜抗菌和不易引起細菌耐藥性的突出優勢[23-25]。近年的光介導抗菌研究主要集中在光熱抗菌和光動力抗菌領域。

2 光熱抗菌涂層

2.1 光熱抗菌療法

在食品行業，高溫滅菌法被廣泛應用。這是因為致病菌大多屬于嗜溫菌，可以在33～41 ℃的溫度范圍內生存繁殖。當環境溫度高于55 ℃時，細菌的各項生理活動會受到明顯限制[26-29]。研究人員希望利用細菌高溫失活的特性，將此方法推廣至醫療領域，于是光熱療法便受到了廣泛關注。

光熱療法(Photothermal therapy, PTT)是在光源照射下通過光熱轉化劑將光能轉換為熱能，產生局部高溫，從而殺滅細菌的治療方法。基于高溫滅菌的作用機制，這種方法更加安全可靠、不會引起細菌耐藥性[30-32]。

在應用光熱抗菌療法時，研究人員常選擇組織穿透能力最強的近紅外光作為光源。常用的光熱轉化劑可大致分為四類，包括碳納米材料(石墨烯[33]、碳納米片[34]等)，貴金屬(金納米粒子[35-36]、鈀納米粒子[37]等)，金屬化合物(如過渡金屬化合物二硫化鉬[38]、二硒化鎢[39]等)，和聚合物(聚多巴胺[40-42]、聚苯胺[43]等)。

2.2 光熱抗菌涂層的研究進展

在材料表面構建光熱抗菌涂層，可實現材料在光照條件下的高溫滅菌。研究人員通過各種不同的方法將光熱轉化劑負載在涂層上。

Oh等[37]通過簡單的混合和冷凍凝膠過程將鈀納米粒子物理包覆在殼聚糖/聚乙烯醇多孔膜上，得到光熱抗菌敷料CS/PVA/Pd。此抗菌敷料具有高孔隙率、高比表面積和較好的生物相容性。鈀納米粒子的引入使得CS/PVA/Pd在808 nm激光照射下表現出優良的光熱抗菌性能。研究人員利用非共價鍵相互作用在基底表面負載光熱轉化劑。Sung等[44]將聚多巴胺作為表面粘合劑，將側鏈修飾了磺酸基團的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)固定在材料表面，隨后通過靜電作用吸附光熱轉化劑聚苯胺，從而制備出光熱抗菌表面。

另一種較為直接的方法是通過化學鍵合固定光熱轉化劑。Lee等[45]制備出修飾了羧基基團的金納米殼(AuNS)，利用羧基與硅烷偶聯劑上氨基的化學反應在基底表面固定金納米殼涂層，如圖1所示。金納米殼具有優異的光熱轉化性能，使得涂層在近紅外光的照射下可高效殺滅糞腸球菌。

聚多巴胺(Polydopamine，PDA)是一種優良的光熱轉化劑，具有高達40%的近紅外光光熱轉換效率。同時，以多巴胺氧化自聚為代表的貽貝仿生化學為涂層的構建提供了具有廣泛適用性的新方法[46]。因此PDA常常被用于構建光熱抗菌涂層[47-48]。

我們[49]將聚合物基底浸泡在弱堿性的多巴胺溶液中(2 mg/mL, 10 mmol/L Tris 緩沖液, pH=8.5)，在基底表面制得了聚多巴胺光熱抗菌涂層，如圖2所示。隨著浸泡時間的延長，涂層厚度也逐漸增加，反應24 h后，PDA涂層厚度為28 nm。在近紅外光照射下，涂層對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出優異的光熱抗菌性能，可用于各類醫用導管的表面改性。

圖1 制備AuNS修飾的聚二甲基硅氧烷PDMS表面[45]

圖2 PDA涂層的厚度隨聚合時間變化和 PDA涂層聚合24 h后的掃描電鏡照片(標尺為1 μm)[49]

二硫化鉬(MoS2)是一種過渡金屬硫化物，具有與石墨烯相似的二維結構，可作為光熱轉換劑用于光熱治療；同時MoS2也能夠產生活性氧，對細菌造成氧化應激損傷。Liu等[41]在鈦植入材料表面制備出二氧化鈦納米管，隨后利用水熱法形成MoS2涂層。涂層上沉積PDA后，通過化學反應在涂層上固定了RGD肽，從而構建出MoS2/PDA-RGD復合涂層。涂層的光熱效應可以有效殺滅細菌，并且進一步促進谷胱甘肽的氧化。RGD肽的引入利于骨的形成。

圖3 智能光熱抗菌涂層的“殺滅-釋放”策略[51]

單寧酸是一種多酚類物質，具有類似多巴胺的苯酚基團，可以與金屬離子形成絡合物粘附在不同基底表面[50]。同時，這種絡合物也具有優良的光熱轉化性能。Yu等[51]將單寧酸/Fe3+絡合物(TA/Fe)沉積在金基底表面，并通過簡單的化學反應在涂層上接枝了聚(N-異丙基丙烯酰胺) (PNIPAAm)，使得涂層表現出“殺滅-釋放細菌”的功能，如圖3所示。在近紅外光照射下，涂層的溫度升高殺滅細菌，此時PNIPAAm處于坍縮狀態；無光照條件下涂層溫度降低，PNIPAAm親水性增強，從而釋放涂層上90%的細菌。這種智能化的抗菌策略更有益于涂層的長期使用和實際應用。

3 光動力抗菌涂層

3.1 光動力抗菌療法

由于光動力療法獨特的作用機制，光動力抗菌具有突出的優勢：首先光源的使用使得治療更為靈活可控；其次，多靶點的作用機制使得光動力療法一般不易引發細菌耐藥性，并且對耐藥菌仍然有效；最后，具有高反應活性的活性氧可快速破壞細菌結構，使得光動力療法的抗菌效率較高[59-61]。

圖4 光動力抗菌療法的作用機制[52]

3.2 光動力抗菌涂層的研究進展

在材料表面構建高效的光動力抗菌涂層，可以賦予材料光動力抗菌性能[62-63]。研究人員通過不同的方法實現了光敏劑的負載，與光熱抗菌涂層不同的是，光動力抗菌涂層上光敏劑的聚集情況對涂層的光動力抗菌效率影響深遠。

非共價鍵力可被應用于結合光敏劑。Kubat等[64]通過靜電紡絲技術制備出聚苯乙烯電紡纖維膜，對電紡纖維膜進行磺酸化處理后，通過簡單的浸泡過程，利用磺酸基團與光敏劑的靜電吸附作用制備出光動力電紡纖維膜。基于靜電作用吸附的光敏劑分子表現出不同的光物理性能，這與光敏劑的聚集狀態息息相關。在最近的一個研究中，我們[65]利用β-環糊精與光敏劑亞甲基藍的主客體相互作用，結合超聲噴涂技術構建了光動力抗菌涂層，如圖5所示。主客體作用有效抑制了光敏劑的聚集，使得涂層具有高單線態氧量子效率，在光敏劑負載量極低的情況下表現出優秀的光動力抗菌性能。

圖5 基于主客體作用構建光動力抗菌涂層[65]

一些光敏劑具有羧基、氨基等基團，可以通過化學鍵合的方法固定在涂層上。Zhang等[66]將季銨鹽基團和光敏劑原卟啉通過化學反應接枝在纖維素鏈上，從而獲得具有光動力抗菌性能的聚合物CPS。隨后，研究人員將CPS與少量戊二醛混合，可以通過噴涂的方式在不同的基底上制得穩定的光動力抗菌涂層。值得一提的是，由于季銨鹽基團的靜電排斥作用，原卟啉的聚集受到明顯抑制，這有利于提高涂層的光動力抗菌效率。Wu等[67]利用殼聚糖分散并穩定光敏劑MoS2納米片，制備得到復合材料CS@MoS2。隨后在外加電場的輔助下，CS@MoS2與鈦表面上的硅烷偶聯劑發生化學反應從而形成復合抗菌涂層。

Felgentrager等[68]選擇通過自聚合的方法獲得光動力抗菌涂層。他們將商品化的液體聚氨酯與含羥基的四苯基卟啉(TPP-OH)混合，將混合液體噴涂在聚合物基底表面。液體聚氨酯中大量的異氰酸酯基團可與TPP-OH發生反應，從而自聚合形穩定的光動力抗菌涂層。這種自聚合的方法可抑制光敏劑的自聚集和1O2的自淬滅，提高了涂層的光動力抗菌效率。

聚多巴胺同樣可用于光動力抗菌涂層的構建。Xu等[69]成功合成出含光敏劑曙紅Y的陽離子型抗菌聚合物。此聚合物含多種基團，可實現涂層的制備和多功能化。其中，伯胺基團可以與聚多巴胺發生化學反應，使得聚合物可在聚多巴胺改性的表面上形成涂層；聚合物上的季銨鹽基團和光敏劑具有明顯的協同抗菌活性，在520 nm激光照射下，涂層對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現出優異的抗菌功效；聚合物側鏈上的羥基使得涂層具有良好的抗粘附性能，同時也使涂層表現出優異的生物相容性。

4 光介導協同抗菌涂層

將不同抗菌方法結合在一起，發揮協同抗菌作用，是抗菌涂層的發展趨勢之一。Luan等[70]將抗粘附策略與光動力抗菌療法結合，構建了超疏水與光動力協同的抗菌織物。這種材料表面具有微納結構，并化學接枝疏水性光敏劑Ce6，使得材料表面可有效抑制細菌粘附，并在光照條件下快速殺滅細菌。Nie等[71]在氧化石墨烯上原位沉積銀納米粒子，獲得復合抗菌納米材料，隨后利用層層自組裝的方法制備出了具有較好生物相容性的抗菌涂層(PES-(Ag@G-SAS)3/G-SAS)。抗菌實驗結果表明，近紅外光照射下，涂層可殺滅表面上所有細菌，并且抗菌效果明顯優于在暗處的涂層。因此氧化石墨烯的光熱效應有效提升了涂層的抗菌效率，銀納米粒子則使得涂層可長期發揮抗菌作用。

研究人員也將光熱和光動力抗菌療法相結合，探究了兩種光介導抗菌療法協同作用的可能性。由于光動力治療所用的光源大多與光熱治療不同，常常需要兩種光源共同作用，這一過程較為復雜。Zhao等[72]將光敏劑二氧化鈦與光熱轉化劑氧化石墨烯相結合，通過靜電紡絲技術制備出協同抗菌纖維膜。在上轉換納米粒子的作用下，只需980 nm激光照射即可同時激發纖維膜的光動力和光熱抗菌性能。

也可將其他功能性分子引入協同抗菌涂層當中。Cai等[73]將聚多巴胺、光敏劑吲哚菁綠(ICG)和功能性多肽RGD肽結合，利用聚多巴胺共沉積的方法在金屬鈦表面構建了多功能協同抗菌復合涂層，如圖6所示。PDA在光照下產生局部高溫，從而殺滅細菌；高溫還可以促進ICG的釋放，利于光敏劑發揮作用。ICG在光照條件下產生活性氧，可有效破壞菌膜結構，進一步增強光熱抗菌效果。RGD肽的引入則有效促進了細胞在涂層的粘附與增值，提高了涂層的生物相容性。

圖6 Ti-M/I/RGD在體內通過PDT/PTT協同清除金黃色葡萄球菌生物被膜[73]

5 結 語

細菌在植/介入醫用裝置表面的定植是醫源性感染的重要組成部分，已經成為全球性的重大公共衛生問題。在醫用裝置表面構建抗菌涂層是最有效和最實用的方法之一。光介導抗菌療法靈活可控，具有廣譜抗菌特性，且不易引起細菌耐藥性，是一種極具潛力的抗菌方法。因此，構建光介導抗菌涂層是在解決醫源性感染問題上具有的巨大潛力。現有研究主要集中在光熱抗菌涂層和光動力抗菌涂層領域。

研究人員通過化學鍵合和非共價鍵相互作用實現了光熱轉化劑和光敏劑的負載，從而賦予材料光介導抗菌性能。其中光動力抗菌涂層上光敏劑的聚集問題會對涂層的效率造成嚴重影響，因此這一問題不容忽視。進一步在涂層上負載其他功能性分子，可實現光介導抗菌涂層的智能化和多功能化。不同抗菌方法的協同有利于提高抗菌涂層的抗菌效率、使用期限和實際應用價值，是未來抗菌涂層領域的發展趨勢。