可吸收明胶海绵（GS）是一种止血保健敷料，广泛用于外科手术以止血。止血剂GS应用于内部出血部位后，可随时间逐渐吸收。但是，植入此类保健敷料可能会在手术后引起细菌感染，并导致严重的相关疾病，包括菌血症，败血病和败血病。因此，在临床实践中通常向患者服用大剂量抗生素，以防止细菌感染。但是，耐药菌的出现使情况更加恶化，而另一方面，新抗生素的开发仍然滞后。为了应对这种恶化的情况，通过利用阳离子抗微生物聚合物来对抗细菌病原体已经做出了许多努力。然而，阳离子抗微生物聚合物通常具有细胞毒性和在与阳离子聚合物接触的组织引起炎症。
为应对这一挑战，近日，北京化工大学徐福建/丁小康团队受酶触发的可生物转换的抗菌聚合物的启发，创新地合成了一系列三嵌段共聚物，即QP- b- PCL- b- QPs，在四氢呋喃（THF）中，QP‐ b‐ PCL‐ b‐QP共聚物自组装成反胶束（RM），在内核中包含季铵盐嵌段，以提供抗菌活性。在存在细菌脂肪酶的情况下，可生物降解的PCL嵌段会被水解，从而导致季胺抗菌剂（QBA）的响应性释放，从而实现自我杀菌。将RMs浸渍到商品明胶海绵（GS）中，在存在脂肪酶的情况下，其具有强大的抗菌活性，为开发可生物开关的自灭菌敷料以减少医疗保健获得性细菌感染提供了有希望的策略。相关工作以“Bioswitchable Antibacterial Coatings Enable Self‐Sterilization of Implantable Healthcare Dressings”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
【三嵌段共聚物及RM涂层GS的设计】
研究人员合成了QP- b- PCL- b- QPs，该聚合物在聚合物链的两端均具有杀菌季铵基，并具有生物响应性PCL链段在中间。在四氢呋喃（THF）中，QP‐ b‐ PCL‐ b‐QP共聚物自组装成反胶束（RM），壳中具有疏水PCL片段，而核心中则具有杀菌季铵基。得益于PCL的良好生物相容性，天然RM的细胞毒性极小。由于多种细菌能够产生脂肪酶作为生物活性触发剂，因此可以酶水解RM的PCL嵌段，并响应性地释放季胺抗菌剂（QBA）来杀死周围的细菌。为了利用这种细菌反应系统在适应性可植入医疗敷料工程中的应用，将浸渍有RM的商品GS与金黄色葡萄球菌一起皮下植入小鼠体内接种。确认了RM包被的GS的体内抗菌活性，并通过组织学染色观察到了由细菌感染引起的减轻的炎症反应。我们设想，RM壳中PCL块的有利生物相容性以及酶释放的QBA对多种细菌病原体的杀生物效力可能会在制造自灭菌植入式医疗敷料中得到应用，以减少医院获得的细菌感染。
RM涂层GS的制造示意图以及细菌感染部位的生物可切换自我灭菌机制
合成材料的表征
【响应释放的QBA的抗菌活性】
为了评价响应释放QBAs，在含有脂肪酶的磷酸盐缓冲盐水溶液中孵育一段时间后，收集释放的QBA，并与不同的细菌菌株共培养。结果表明RM 2涂层对金黄色葡萄球菌显示出优异的脂酶反应性和杀菌功效。因此，RM 2涂层被用于进一步研究。在脂肪酶存在下，当温育时间超过1小时时，响应释放的QBA表现出对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的有效杀菌活性在无脂酶组中，当孵育时间为24 h时，大肠杆菌，铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌的细菌生存力几乎未受影响，这表明RM 2涂膜在无脂酶的水溶液中是稳定的。在脂肪酶存在下，包含RM 2释放的QBA和NPN的混合溶液的荧光强度随孵育时间的增加而增加，这是因为NPN在疏水环境中会随着QBA自组装成胶束而发出更强的荧光。
响应释放的QBA的抗菌活性
【RM 2涂层的GS的体外 抗菌活性】
为了探索开发自消毒保健敷料的可行性，将RM轻松地浸渍到商业GS中，以制造可生物转换的敷料（即RM 2涂层的GS）。涂有RM 2的GS分别与金黄色葡萄球菌，枯草芽孢杆菌，铜绿假单胞菌和大肠杆菌共培养。涂有RM 2的GS对金黄色葡萄球菌，枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌显示出有效的抗菌活性。但是，涂有RM 2的GS对大肠杆菌的抗菌活性很小。经RM 2包被的GS处理后，金黄色葡萄球菌，枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌受到严重破坏，而大肠杆菌的形态仍然光滑完整。表明涂有RM 2的GS仅选择性杀灭分泌脂肪酶的细菌。
RM 2涂层GS的抗菌活性
RM 2涂层GS的细菌活死染色及形态表征
【RM 2涂层的体外细胞毒性】
活/死染色结果表明，L929细胞以细长或多边形细胞形态良好分布，并在普通玻璃和涂有RM 2的玻璃表面上均被绿色荧光染色，表明由于存在于RM壳中的PCL片段，RM 2具有良好的生物相容性。相比之下，接种在NM 2涂层的载玻片上的L929细胞是圆形的，并用红色荧光染色，表明NM 2涂层的表面对哺乳动物细胞具有毒性。RM 2浸出液的细胞毒性很低，相反，经NM 2涂层浸出液处理后，超过80％的L929细胞死亡。这些结果表明，RM 2涂层有望用于响应性植入式抗菌保健敷料的工程设计。
RM 2涂层的体外细胞毒性
【体内抗菌活性和组织学分析】
RM 2涂覆的GS被皮下植入到小鼠背部，和50微升金黄色葡萄球菌悬浮液在植入位点接种建立了细菌感染模型。缝合伤口后，分别在第1天，第3天和第7天收获周围植入RM 2涂层的GS或未修饰的GS周围的组织进行细菌计数。由于实验动物的免疫力，对照组（植入未修饰的GS）的细菌计数随时间减少。然而，从RM收获的细菌计数2涂层GS组显着低于对照组。这些结果表明，涂有RM 2的GS的响应性抗菌活性在动物细菌感染模型中是有效的。在植入未经修饰的GS的小鼠组织中，包括嗜中性粒细胞，巨噬细胞和嗜酸性粒细胞在内的炎性细胞丰富，表明由于细菌感染引起的急性炎性反应。相反，在植入了RM 2的小鼠组织中涂有GS的GS，观察到较少的炎性细胞，这表明由于RM 2涂有GS的自我灭菌，减轻了小鼠的炎症反应。在第1、3、7天从实验小鼠采集的心脏，肝，脾，肺和肾组织的组织学分析，未观察到组织学异常。这些结果表明，涂有RM 2的GS是一种很有前途的响应性抗菌材料，具有良好的生物安全性，可以抵抗与可植入敷料相关的细菌感染。
体内抗菌表征
内脏组织HE染色
总结：研究人员合成了一系列季铵化三嵌段共聚物，并在THF中自组装为RM。RMs的外壳由可被细菌脂肪酶选择性水解的生物相容性PCL聚合物链段组成，RMs的核心包含杀菌四价基团，可对细菌施加有效的抗菌活性。可以将RMs轻松地浸入商业GS中，以制造用于自动消毒植入式医疗敷料工程的自主和响应性抗菌涂层（RM 2涂层GS）。从感染部位释放脂肪酶后，PCL片段被水解，导致QBA的响应释放，从而杀死了植入物附近的细菌。特别是金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌易受涂有RM 2涂层的GS释放的QBA的影响。但是，铜绿假单胞菌由于对外膜的额外保护而表现出对QBA的更高耐受性，这可以抵抗QBA渗透到细菌细胞中。此外，证明了涂有RM 2的GS的响应性抗菌活性在动物细菌感染模型中也有效，并且组织学分析表明，由细菌感染引起的炎症反应得到缓解。RM涂层可能为自我灭菌的可植入敷料材料的设计提供新方法，以抗击医疗保健获得性感染。
来源：高分子科学前沿
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