《先进功能材料》新型柔性抗菌材料：可自净、防污、智能释药

来源：高分子科学前沿

细菌、真菌和病毒等病原微生物能引发机体组织病变，严重威胁着人类的身心健康。医疗器械在介入体内后，在其表面滋生细菌是引发感染的最主要原因，给病患带来重大的经济损失，甚至会危及生命安全。为了赋予材料表面抗菌性能，需要依据细菌感染发生机制，有针对性地进行抗菌表面的构建，其策略主要为抗细菌粘附策略、杀菌策略。

细菌粘附是生物医用材料和器械感染的第一步，调控细菌在材料表面粘附行为是制备高效抗菌表面的重要环节。抗细菌粘附策略虽能有效地降低细菌在材料或器械表面粘附和生物膜形成，但是不可能达到100%的抑制细菌能力，一旦少数细菌附着于材料或器械表面，抗细菌粘附体系很难再阻止细菌的增殖。

杀菌策略根据杀菌机制，可分为接触型和释放型杀菌。接触型杀菌策略通过在材料表面构建阳离子聚合物、抗菌肽、活性氧、碳纳米管等，通过表面直接接触作用于细菌；释放型杀菌策略通过杀菌剂从材料内部缓释到环境中达到杀菌作用，杀菌剂包括抗生素、纳米粒子、氮氧化物等，可通过杀死材料表面粘附细菌达到抗菌效果。此类方法的不足为：(1) 死细菌易在杀菌的材料表面快速积累，不仅屏蔽杀菌基团，而且激发免疫反应，进而引发感染；(2) 抗生素类的杀菌剂易造成耐药等副反应；(3) 杀菌剂对人体细胞有毒副作用，生物相容较差。

在上述策略中，通过创建有自清洁功能的表面以实现有效除菌的策略是非常值得一提的。然而，这往往需要特定的技术，这些技术难以实现从实验室条件到实用医学的转换。其它更多利用表面装饰等的技术，往往也无法产生具有足够稳定性和实用性的材料。因此，创建具有特异表面性能、但又没有上述问题的替代材料迫在眉睫。解决此问题的方法之一是采用抗细菌粘附－杀菌（抗－杀）结合策略，即创建具有双重抗菌功能的表面，既能防止细菌附着又能杀死细菌。此外，医用抗菌材料还需具备适当的机械性能，特别是足够的柔韧性和延展性。

捷克科学家O. Lyutakov课题组报道了一种基于高度可拉伸硅聚合物，并垂直梯度掺杂聚吡咯的新型智能柔性抗菌材料，该材料既具有可控自净、防污的能力，又能实现电致智能释药。材料的制备理念如下图，以柔性有机硅聚合物为基础，梯度掺杂导电聚合物聚吡咯，进一步装载了结晶紫 (CV)，以引入抗菌性能，并实现了原位电致药物释放。在初始状态时，该材料具有强的疏水性，当浸入水中时，在其表面会形成一个气隙，可有效防止生物污染物和微生物的附着，并且有利于其所负载药物的释放。在电场的作用下，电润湿现象克服了表面的超疏水性，使表面转变为亲水状态，气隙消失，同时电触发释放的结合抗菌剂可将细菌杀死。电场切断和样品干燥后，材料表面又恢复其固有的超疏水状态，相当于材料表面可以作简单清洁去除细菌残留物。最后，该材料在机械载荷作用下表现出良好的力学性能且无功能损伤，即具有高的柔韧性和可拉伸性。上述特性为该材料在先进医学和生物医学材料领域的应用开辟了道路。

图1. 制备材料的实验概念图i)具有柔性和导电性(由含有聚吡咯的柔性硅基体提供)，ii)能够实现超疏水性和自清洁性能(由于聚吡咯表面层产生的形貌和化学特性)，iii)超疏水亲水性范围内的润湿性切换(由电润湿现象和/或样本表面与被测液体之间形成气隙提供)，iv)使结晶紫可控释放成为可能。（Polydimethylsiloxane(PDMS)，polypyrrole (PPy)

图2.A)样品横切光学照片，B)逐点测得的拉曼光谱(对应于A图所指位置)，C) PPy与PDMS拉曼峰对应于A图所指位置，D)在样品的顶部和底部测得的红外光谱。

图3. AFM测量样品制备不同阶段的样品形态，相应的表面粗糙度(Ra)和水接触角θ值: A)最初的PDMS膜(没有Pyr)；B) PDMS与PPy复合过程中未达到表层; C) PDMS与PPy复合含PPy表层; D) 材料表面电触发的润湿性开关试验

文章作者

LukášDeˇkanovský, Oleksiy Lyutakov；Dual-ActionFlexible Antimicrobial Material: Switchable Self-Cleaning, Antifouling, andSmart Drug Release；AdvancedFunctional Materials. 2019, 1901880.

链接： https://doi.org/10.1002/adfm.201901880