纸质出版日期:2020-4,
网络出版日期:2020-3-19,
收稿日期:2020-2-12,
修回日期:2020-2-16
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细菌在生物材料表面的黏附和后续生物被膜的形成会引起一系列严重后果,因此赋予生物材料表面抗菌性能成为国内外科研工作者们的研究热点. 然而目前常见的抗菌策略主要集中在杀死表面黏附的细菌,而忽略了死细菌在表面的积累所引起的如抗菌效率下降、二次污染等诸多问题. 针对此,研究者们提出了“杀菌-释菌”功能转换的智能抗菌策略并以此发展了一系列智能抗菌表面. 本专论基于我们课题组的研究成果,根据杀菌剂与材料表面结合方式的不同(永久固定杀菌剂、可重复负载杀菌剂和不需要杀菌剂),对近年来智能抗菌表面领域的研究进展进行了评述. 这些智能抗菌表面能够在杀灭细菌后及时清除表面残留的死细菌,从而保持了长效抗菌功能. 最后对该领域未来的研究方向进行了展望.
The adhesion of bacteria and the subsequent formation of biofilms on the surfaces of biomaterials cause a series of adverse consequences, resulting in serious problems in both human healthcare and industrial applications. Therefore, endowing the surfaces with antibacterial capabilities has attracted considerable interests and development of antibacterial surfaces has become an active field of research. The traditional antibacterial strategies are mainly focused on killing bacteria attached on the surfaces, however, neglecting many problems raised from the accumulation of dead bacteria and debris such as degradation of biocidal efficiency and secondary contamination. Aiming to solve these problems, a promising smart antibacterial strategy based on switchable function between bacteria-killing and bacteria-releasing was proposed. Based on this strategy, a series of smart antibacterial surfaces have been developed to kill the attached bacteria and then trigger the on-demand release of dead bacteria from the surface by regulation of bacteria-surface interactions, so as to maintain the effective antibacterial activity for long-term applications. In this feature article, we summarize our achievements and the recent progress in the field of smart antibacterial surfaces. These surfaces have been divided into three categories based on the methods for applying biocidal agents on to the surfaces: (1) the surfaces with permanently immobilized biocidal agents; (2) the surfaces with reversibly incorporated biocidal agents; and (3) the surfaces without common biocidal agents but with physically biocidal activity. In the end, we provide a brief perspective of the future research directions in this promising area.
In this feature article, we summarized the recent developments of smart antibacterial surfaces with switchable bacteria-killing and bacteria-releasing capabilities, which are considered as promising solutions for combating bacterial infection and contamination.
细菌(特别是致病菌)在植入材料及医疗器械等生物材料表面的黏附和后续生物被膜的形成会造成一系列严重后果:一方面会引起患者创口感染、导致炎症和并发症甚至死亡,另一方面会对材料和器械的功能造成不良影响以至于缩短其使用寿命. 特别是近年来耐药性细菌(即所谓“超级细菌”)的出现,使得医源性感染成为全球范围内的健康隐患之一,并对社会公共卫生构成越来越严重的威胁[
根据抗菌机理的不同,传统抗菌表面的构建策略可以分为以阻抗细菌黏附为目的的“防御型”抑菌策略和以杀死表面黏附细菌为目的的“进攻型”杀菌策略[
针对上述问题,研究者们提出了一种“杀菌-释菌”功能转换的智能抗菌策略并以此发展了一系列智能抗菌表面[
智能抗菌策略的核心在于调控细菌与材料表面之间的相互作用(如疏水作用、静电作用等). 由于刺激响应性高分子能够对环境刺激的微小变化产生物理化学性质的响应性改变,因此将其与合适的杀菌剂共同修饰到材料表面,便可以实现材料表面功能从杀灭细菌到释放细菌的响应性转换.
温度是一种常见的用以调控细菌在表面黏附行为的刺激因素. 例如,修饰了温度响应性高分子聚(N-异丙基丙烯酰胺) (PNIPAAm)的材料表面,当环境温度在其低临界溶解温度(LCST,约32 °C)附近变化时,其浸润性会发生响应性的变化,进而导致表面与细菌之间疏水作用的改变. 此外,可以通过温度控制分子尺度上PNIPAAm分子链的构象变化,达到调控微纳米尺度上特定区域内功能分子的暴露与包埋,最终实现表面宏观生物活性的“开关”转换[
Fig 1 Schematic illustration of a temperature-responsive “kill-and-release” antibacterial surface based on nanopatterned PNIPAAm/biocide (Reproduced with permission from Ref.[
除了温度,盐浓度也可以作为一种刺激因素用于调控细菌在材料表面的黏附/脱附行为. 例如,通过盐浓度的增加可以削弱表面修饰的两性离子高分子聚(3-二甲基(4-乙烯基苄基)铵基丙烷1-磺酸盐) (PDVBAPS) 分子链之间的静电引力,引起分子链伸展以及与水分子结合的增强,进而导致黏附在表面的细菌发生脱附[
Fig 2 Schematic illustration of an electric assisted salt-responsive “kill-and-release” antibacterial surface based on PDVBAPS-g-TCS brushes (Reproduced with permission from Ref.[
对于永久性固定杀菌剂的智能抗菌表面,其杀菌效率往往会随着使用时间的延长或“杀菌-释菌”循环次数的增加而降低. 因此,需要表面能够及时“更新”杀菌剂以实现表面长期的杀菌活性. 通过改变环境刺激调控杀菌剂与表面之间的相互作用,使其在杀菌过程后从表面释放是一种行之有效的方法. 我们发现纳米结构的引入能够显著增强表面对蛋白质吸附的响应性调控. 例如,接枝了pH响应性高分子聚甲基丙烯酸(PMAA)的硅纳米线阵列(SiNWAs)能够通过改变pH实现表面对蛋白质的大量结合与高效释放[
Fig 3 Schematic illustration of a pH-responsive “kill-and-release” antibacterial surface based on SiNWAs modified with PMAA (Reproduced with permission from Ref.[
除了疏水作用和静电作用,基于超分子化学的主客体相互作用和以动态共价键为代表的可逆共价作用为杀菌剂的负载与释放提供了新的方法[
Fig 4 Chemical structure of CD-QAS7
在众多的刺激源中,光刺激具有清洁性和非入侵性,可以远程快速传递等优点. β-CD/Azo是一组典型的具有光响应性的主客体分子对:反式构型的Azo可以与β-CD之间形成稳定的包结络合物,而经过紫外光照后,Azo基团从反式构型转变为顺式构型,使得β-CD/Azo包结络合物发生解离. 利用这一性质,我们结合含Azo的表面和CD-QAS7构建了一种具有光响应性的抗菌表面[
Fig 5 Schematic illustration of a light-responsive “kill-and-release”antibacterial surface based on Azo modified surface and CD-QAS7 (Reproduced with permission from Ref.[
许多生物材料都需要表面具有抗菌性能,但不同材料表面的物理化学性质之间的差异使得单一改性方法难以适用于所有基材. 针对这一难题,我们提出了一种以非共价相互作用为驱动力的普适性抗菌表面功能化方法[
Fig 6 Schematic illustration of a surfactant-responsive “kill-and-release” antibacterial surface based on an Ada-containing multilayered film and CD-QAS (Reproduced with permission from Ref.[
除了应用主客体相互作用,我们也应用苯硼酸酯动态共价键将CD-QAS7引入到含有PBA基团的高分子刷改性表面,得到了具有糖响应性的抗菌表面[
Fig 7 Schematic illustration of a multistimuli-responsive “kill-and-release” antibacterial surface based on CD-QAS (Reproduced with permission from Ref.[
近年来由于抗生素等杀菌剂的滥用,细菌耐药性逐渐增强,因此利用不需要杀菌剂的物理杀菌方法构建抗菌表面受到了越来越多的关注. 光热杀菌是一种利用光热转换材料将吸收的光能转换为热能,产生局部高温进行杀菌的方法,具有无耐药性、无细菌选择性并且环境友好等优点. 将光热转换材料与刺激响应性高分子结合是构建新型智能抗菌表面的有效方法.
单宁酸(TA)是一种天然的植物多酚,能够与多种金属离子形成络合物并在多种基材表面形成稳定的涂层,同时利用涂层表面自由的酚羟基还可以通过化学反应结合含氨基或巯基的小分子/高分子实现进一步的功能化[
Fig 8 Schematic illustration of a temperature-responsive “kill-and-release” antibacterial surface with photothermal activated biocidal activity (Reproduced with permission from Ref.[
本文对近年来具有“杀菌-释菌”功能转换的智能抗菌表面的研究进展进行了小结. 与传统的抗菌表面相比,这些表面能够在杀灭细菌后及时清除表面残留的死细菌,不仅可以保持长期有效的抗菌活性,同时也避免了堆积的死细菌造成的不良后果. 然而这些智能抗菌表面仍存在着一些不足和局限,在未来的工作中可以从以下几个方面进行更加深入的研究. 首先,目前大多抗菌表面是应用非特异性的外源性刺激(如温度、光、盐离子等)来实现细菌的释放,为了使表面功能进一步“智能化”,今后可以尝试应用一些具有生物特异性的内源性刺激去构建具有自触发性的抗菌表面;其次,相比单个细菌,成熟的生物被膜无论是对其杀灭还是从表面清除的难度都更大,因此在设计材料表面时需要针对生物被膜的特点,特别是需要赋予表面在清除成熟的生物被膜后能继续抑制生物被膜形成的功能;最后,已报道的体系大多还处于概念和模型阶段,需要进一步开发简单、高效、通用的表面制备方法,将这些体系推广应用到医用材料和器械上.
Gupta A, Mumtaz S, Li C H, Hussain I, Rotello V M. Chem Soc Rev , 2019 . 48 415 - 427 . DOI:10.1039/C7CS00748E . [百度学术]
Qian Yuxin(钱宇芯), Zhang Danfeng(张丹丰), Wu Yueming(武月铭), Chen Qi(陈琦), Liu Runhui(刘润辉). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2016 . ( 10 ): 1300 - 1311. [百度学术]
Ding X, Duan S, Ding X, Liu R, Xu F. Adv Funct Mater , 2018 . 28 1802140 DOI:10.1002/adfm.201802140 . [百度学术]
Wang Rong(王蓉), Shen Xinkun(沈新坤), Hu Yan(胡燕), Cai Kaiyong(蔡开勇). Acta Polymerica Sinica(高分子学报) , 2019 . 50 ( 9 ): 863 - 872. [百度学术]
Yu Q, Wu Z, Chen H. Acta Biomater , 2015 . 16 1 - 13 . DOI:10.1016/j.actbio.2015.01.018 . [百度学术]
Wei T, Tang Z, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 37511 - 37523 . DOI:10.1021/acsami.7b13565 . [百度学术]
Wei T, Yu Q, Chen H. Adv Healthc Mater , 2019 . 8 1801381 DOI:10.1002/adhm.201801381 . [百度学术]
Yu Q, Shivapooja P, Johnson L M, Tizazu G, Leggett G J, Lopez G P. Nanoscale , 2013 . 5 3632 - 3637 . DOI:10.1039/c3nr00312d . [百度学术]
Yu Q, Johnson L M, Lopez G P. Adv Funct Mater , 2014 . 24 3751 - 3759 . DOI:10.1002/adfm.201304274 . [百度学术]
Yu Q, Cho J, Shivapooja P, Ista L K, Lopez G P. ACS Appl Mater Interfaces , 2013 . 5 9295 - 9304 . DOI:10.1021/am4022279 . [百度学术]
Yu Q, Ista L K, Lopez G P. Nanoscale , 2014 . 6 4750 - 4757 . DOI:10.1039/C3NR06497B . [百度学术]
Ista L K, Yu Q, Parthasarathy A, Schanze K S, Lopez G P. Biointerphases , 2016 . 11 019003 DOI:10.1116/1.4939239 . [百度学术]
Yu Q, Ge W, Atewologun A, Stiff-Roberts A D, Lopez G P. J Mater Chem B , 2014 . 2 4371 - 4378 . DOI:10.1039/C4TB00566J . [百度学术]
Yu Q, Ge W, Atewologun A, Stiff-Roberts A D, Lopez G P. Colloids Surf, B , 2015 . 126 328 - 334 . DOI:10.1016/j.colsurfb.2014.12.043 . [百度学术]
He M, Wang Q, Zhang J, Zhao W, Zhao C. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 44782 - 44791 . DOI:10.1021/acsami.7b13238 . [百度学术]
Shi Z Q, Cai Y, Deng J, Zhao W, Zhao C. ACS Appl Mater Interfaces , 2016 . 8 23523 - 23532 . DOI:10.1021/acsami.6b07397 . [百度学术]
Wang B, Xu Q, Ye Z, Liu H, Lin Q, Nan K, Li Y, Wang Y, Qi L, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2016 . 8 27207 - 27217 . DOI:10.1021/acsami.6b08893 . [百度学术]
Wang X, Yan S, Song L, Shi H, Yang H, Luan S, Huang Y, Yin J, Khan A F, Zhao J. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 40930 - 40939 . DOI:10.1021/acsami.7b09968 . [百度学术]
Yang H, Li G, Stansbury J W, Zhu X, Wang X, Nie J. ACS Appl Mater Interfaces , 2016 . 8 28047 - 28054 . DOI:10.1021/acsami.6b09343 . [百度学术]
Yu Q, Ista L K, Gu R, Zauscher S, Lopez G P. Nanoscale , 2016 . 8 680 - 700 . DOI:10.1039/C5NR07107K . [百度学术]
Xiao S, Ren B, Huang L, Shen M, Zhang Y, Zhong M, Yang J, Zheng J. Curr Opin Chem Eng , 2018 . 19 86 - 93 . DOI:10.1016/j.coche.2017.12.008 . [百度学术]
Wu B, Zhang L, Huang L, Xiao S, Yang Y, Zhong M, Yang J. Langmuir , 2017 . 33 7160 - 7168 . DOI:10.1021/acs.langmuir.7b01333 . [百度学术]
Wu J, Zhang D, Wang Y, Mao S, Xiao S, Chen F, Fan P, Zhong M, Tan J, Yang J. Langmuir , 2019 . 35 8285 - 8293. [百度学术]
Huang L, Zhang L, Xiao S, Yang Y, Chen F, Fan P, Zhao Z, Zhong M, Yang J. Chem Eng J , 2018 . 333 1 - 10 . DOI:10.1016/j.cej.2017.09.142 . [百度学术]
Fu Y, Wang Y, Huang L, Xiao S, Chen F, Fan P, Zhong M, Tan J, Yang J. Ind Eng Chem Res , 2018 . 57 8938 - 8945 . DOI:10.1021/acs.iecr.8b01730 . [百度学术]
Yu Q, Chen H, Zhang Y, Yuan L, Zhao T, Li X, Wang H. Langmuir , 2010 . 26 17812 - 17815 . DOI:10.1021/la103647s . [百度学术]
Wei T, Yu Q, Zhan W, Chen H. Adv Healthc Mater , 2016 . 5 449 - 456 . DOI:10.1002/adhm.201500700 . [百度学术]
Zhan W, Wei T, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2018 . 10 36585 - 36601 . DOI:10.1021/acsami.8b12130 . [百度学术]
Ma Y, Tian X, Liu L, Pan J, Pan G. Acc Chem Res , 2019 . 52 1611 - 1622 . DOI:10.1021/acs.accounts.8b00604 . [百度学术]
Zhan W, Shi X, Yu Q, Lyu Z, Cao L, Du H, Liu Q, Wang X, Chen G, Li D, Brash J L, Chen H. Adv Funct Mater , 2015 . 25 5206 - 5213 . DOI:10.1002/adfm.201501642 . [百度学术]
Cao L, Qu Y, Hu C, Wei T, Zhan W, Yu Q, Chen H. Adv Mater Interfaces , 2016 . 3 1600600 DOI:10.1002/admi.201600600 . [百度学术]
Hu C, Qu Y, Zhan W, Wei T, Cao L, Yu Q, Chen H. Colloid Surface B , 2017 . 152 192 - 198 . DOI:10.1016/j.colsurfb.2017.01.025 . [百度学术]
Lyu Z, Shi X, Lei J, Yuan Y, Yuan L, Yu Q, Chen H. J Mater Chem B , 2017 . 5 1896 - 1900 . DOI:10.1039/C6TB02572B . [百度学术]
Qu Y, Wei T, Zhan W, Hu C, Cao L, Yu Q, Chen H. J Mater Chem B , 2017 . 5 444 - 453 . DOI:10.1039/C6TB02821G . [百度学术]
Hu C, Wu J, Wei T, Zhan W, Qu Y, Pan Y, Yu Q, Chen H. J Mater Chem B , 2018 . 6 2198 - 2203 . DOI:10.1039/C8TB00490K . [百度学术]
Wei T, Zhan W, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2017 . 9 25767 - 25774 . DOI:10.1021/acsami.7b06483 . [百度学术]
Wei T, Zhan W, Cao L, Hu C, Qu Y, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2016 . 8 30048 - 30057 . DOI:10.1021/acsami.6b11187 . [百度学术]
Zhan W, Qu Y, Wei T, Hu C, Pan Y, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2018 . 10 10647 - 10655 . DOI:10.1021/acsami.7b18166 . [百度学术]
Zhou Y, Zheng Y, Wei T, Qu Y, Wang Y, Zhan W, Zhang Y, Pan G, Li D, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces , 2020 . 12 5447 - 5455 . DOI:10.1021/acsami.9b18505 . [百度学术]
Xu L, Neoh K G, Kang E T. Prog Polym Sci , 2018 . 87 165 - 196 . DOI:10.1016/j.progpolymsci.2018.08.005 . [百度学术]
Wang Y, Wei T, Qu Y, Zhou Y, Zheng Y, Huang C, Zhang Y, Yu Q, Chen H. ACS Appl Mater Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.9b17581
[百度学术]Qu Y, Wei T, Zhao J, Jiang S, Yang P, Yu Q, Chen H. J Mater Chem B , 2018 . 6 3946 - 3955 . DOI:10.1039/C8TB01122B . [百度学术]
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