为了避免由医疗器件或者植入器件造成的细菌感染，人们开发了抗菌涂层以阻止细菌在材料表面的生长和形成生物膜。这些智能涂层具有按需释放抗生素药物的特性，可发挥药物递送平台的作用。尽管目前的研究提出了多种抗菌表面设计和涂层方法，但其中的过程比较复杂，并且具有表面依赖性。也就是说，目前的涂层策略中还缺乏简单实用且适用于普遍表面基质的制备思路。不仅是制备方法，在涂层功能方面，也需要设计具有高抗生素装载量、可调的药物释放行为的性能，以实现高效的抗菌作用。
为了解决这一难题，四川大学的李乙文和华东师范大学的程义云合作报道了一种简单但强大且通用的抗菌涂层制备方法。在这一方法中，作者利用两种天然构建单元（即氨基糖苷类和原儿茶醛）在辣根过氧化物酶的存在下进行一步集成，同时实现动态亚胺键形成和酶催化聚合反应，从而可在多种不同基质上形成非表面依赖的抗菌涂层。这些涂层具有高载药量、动态（pH响应性）特性、释放行为可调的特点，从而在体外和活体实验中均表现出优异的抗菌性能。相关工作以“Bioinspired Integration of Naturally Occurring Molecules towards Universal and Smart Antibacterial Coatings”为题发表在Advanced Functional Materials。
【文章要点】
一、智能抗菌涂层
如图1所示，原儿茶醛（PA）和氨基糖苷类（AGs）（如妥布霉素TOB）的一步集成可在48小时内直接制备抗菌涂层。在反应过程中，一方面在过氧化氢和辣根过氧化物酶的存在下，PA可快速聚合形成聚邻苯二酚结构；而另一方面，聚邻苯二酚结构中醛基可与AGs的氨基交联。由此形成的亚胺键（-CH=N-）是一种典型的动态化学键，可在酸性条件下断裂并重新形成醛基和氨基。鉴于细菌生长通常会创造弱酸性环境，这些涂层就会在接触细菌环境时降解并释放AGs，而在正常的生理环境下保持稳定，从而实现按需的抗生素释放行为。此外，亚胺键和氨基的存在可通过增强π-π堆叠和阳离子-π相互作用来实现表面盐取代效应，从而提高涂层和表面之间的粘附强度。
图1 智能抗菌界面的制备
以PA/TOB@PES（聚醚砜）为模型系统，作者进一步研究了抗菌涂层的抗生素释放行为。研究发现，TOB在酸性环境（pH=5）中释放更快，在8小时内抗生素的累积释放量可达到70%左右。这说明智能涂层展现出了pH相关的抗生素释放行为，并且该行为与所形成的亚胺键的动态特点紧密相关。
二、抗菌作用
随后，作者还评价了PA/TOB涂层材料的抗菌效果。由于AGs对革兰氏阳性和阴性菌均具有强力的抗菌效力，因此研究选择了四种典型细菌（大肠杆菌、绿脓杆菌、表皮葡萄球菌、金黄色酿脓葡萄球菌）测定其抑制区域。研究发现，与 PA/TOB@PES孵育的细菌24小时后得到了明显的抑制。在建立的术前感染和术后感染动物模型中，研究也发现涂覆过PA/TOB的医疗器具如骨钉等具有良好的抗菌效果，并且没有在表皮中发现感染情况；相反地，无PA/TOB涂覆的植入物植入小鼠后均发现了比较严重的皮肤感染。这些结果说明，无论在体外还是活体中，PA/TOB涂层均表现出了优异的抗菌效果。
图2 抗菌涂层的抗菌效力
文献链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108749