仿生抗菌涂层在预防泌尿导管相关感染及结壳方面的功能研究
作者单位：江苏大学
学位级别：硕士
导师姓名：陈兵海
授予年度：2022年
学科分类：1011[医学-护理学（可授医学、理学学位）] 10[医学]
摘 要：在临床上,导尿管和输尿管支架管作为泌尿系疾病及术后辅助治疗手段,明显降低了相关疾病的进展以及术后并发症的发生率。然而,导管的置入常伴随着正常泌尿系防御屏障的破坏,导致并发症诸如感染的发生。特别是导管或支架在泌尿系统内的长期留置,会不可避免的产生结壳,加重感染,甚至引起积水,最终会加大导管拔除的难度、增加患者痛苦以及经济负担。目前应对导管感染及结壳问题的主要方式是在导管表面接枝抗菌涂层,如抗生素药物释放涂层、银离子释放涂层、抗菌肽接枝涂层以及高分子抗污复合涂层等。接枝有抗菌涂层的导管已被证实具有一定的抗菌及抗结壳效果,但是仍缺乏长期有效性的研究。然而由于导管材料的表面惰性,现有的涂层类导管存在着制备过程相对复杂、具有潜在的生物毒性、制备效率低下以及涂层易脱落等不足,制约了在临床上的广泛性应用。海洋贻贝类生物具有优异的天然粘附特性。研究表明,贻贝中起粘附作用的主要结构为含有邻苯二酚基团的氨基酸多肽序列。本研究从贻贝的粘附机制出发,以邻苯二酚结构作为分子接枝桥梁,将抗菌肽接枝在导管表面,设计出两种模拟贻贝粘附的抗菌肽涂层,即:聚多巴胺抗菌肽涂层和贻贝仿生多肽抗菌肽涂层,在泌尿导管表面实现了长期有效的抗感染和抗结壳性能。具体内容如下:1.聚多巴胺抗菌肽涂层多巴胺是一种具有和贻贝粘附机制相类似的、含邻苯二酚独特结构的常见药物,通过自身的氧化聚合反应,可在多样化材料表面形成基于多重非共价、共价以及配位作用的聚合物涂层(聚多巴胺涂层)。本论文首先利用多巴胺的氧化自聚合的特点,在聚氨酯泌尿导管表面构建聚多巴胺涂层,同时利用邻苯二酚-Cu的金属酚配位作用,增加涂层的厚度及接枝位点密度。随后借助聚多巴胺涂层的高密度醌键,共价结合巯基化的抗菌肽,得到表面具有广谱抗菌效果的泌尿导管。我们通过扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)以及接触角测试仪的测试证明,抗菌涂层已经被成功接枝在聚氨酯导管表面。接枝后的导管在体外及动物体内实验中均表现出良好的抗菌和抗结壳效果。细胞毒性及细胞增殖实验结果显示,该抗菌涂层具有良好的生物相容性。我们通过模拟涂层降解实验也发现,该抗菌涂层具有高达8周的稳定性。总之,基于金属酚聚多巴胺抗菌涂层的泌尿系导管有望成为一种有效的预防感染及结壳的表面改性策略。2.贻贝仿生多肽抗菌肽涂层我们通过进一步分析海洋贻贝类的分子粘附机制,设计了含有多重邻苯二酚侧基氨基酸的多肽分子,并以此为接枝桥梁,实现高度生物相容的、具备特异性接枝位点的仿生抗菌涂层。我们通过固相多肽合成,获得具有4个邻苯二酚侧基和端基修饰二苯并环辛炔(DBCO)的仿生多肽。由于多重的邻苯二酚基团,该多肽可在Cu配位辅助下,稳定结合与聚氨酯泌尿导管表面。同时,我们利用二苯并环辛炔(DBCO)与含有叠氮基团的抗菌肽进行点击化学反应,在对抗菌肽活性影响更小的前提下,实现了更高效的、更特异性的抗菌肽分子表面接枝,得到具有高效抗菌效果的泌尿导管。SEM及AFM图谱分析显示接枝导管表面形态出现显著变化;XPS结果分析显示导管表面元素含量发生改变;水滴接触角实验表明接枝后的表面具有更加亲水的性能。这些测试结果证明,抗菌肽涂层已经成功接枝在导管表面。除了优异的生物相容性,该抗菌多肽涂层同样表现出高效的体内外抗菌及抗结壳能力。在大鼠膀胱内的抗结壳实验中,其抗结壳的能力相比于未接枝导管具有显著性改进。由于其良好的抗感染能力,植入周围的组织炎症也明显减少。涂层的稳定性实验表明,该涂层6周后仍有优异的抗菌性能。后期我们将优化该图层的分子设计和制备条件,相关研究可为抗菌及抗结壳长期留置导管的研发和应用提供参考。
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