具有生物教育功能的聚合物纤维垫，用于减少细菌病原体的定植

《RSC Applied Polymers》：Bioinstructive polymer fibre mats to reduce bacterial pathogen colonisation

新型生物指令性聚合物纤维网通过共聚物设计有效抑制多重病原菌生物膜形成（分别达84%和59%），同时促进成纤维细胞增殖2.2倍，为手术缝合材料提供创新解决方案。

　　医疗相关的感染问题在欧洲每年给经济造成超过200亿英镑的损失，并导致额外的2500万天的住院时间，显著增加了患者的发病率和死亡率。许多植入式医疗设备在开发过程中并未充分考虑其表面可能成为病原体滋生的场所，这导致了大量设备因细菌生物膜的形成而出现问题，并引发了纤维化异物反应，从而导致炎症和伤口愈合受阻。本研究报道了一种新型的纤维状生物引导共聚物材料，该材料能够有效减少**铜绿假单胞菌**（*Pseudomonas aeruginosa*）和**金黄色葡萄球菌**（*Staphylococcus aureus*）的生物膜形成，分别减少了84%和59%。同时，这种纤维材料还促进了成纤维细胞的增殖，其增殖速度比聚乳酸（PLA）纤维提高了2.2倍，而PLA纤维的增殖速度仅为1.2倍。这表明该纤维材料能够为伤口愈合创造更有利的微环境。通过开发新的生物引导材料，这项研究旨在为手术用网状材料提供一种既能防止感染又无需使用抗菌剂或有毒渗出物的替代方案。

手术部位感染（SSIs）是医疗相关感染中最常见的类型之一，不仅增加了患者的发病率和死亡率，还导致了高昂的医疗成本和延长的住院时间。手术网状材料在疝气修复手术中已被广泛使用，并且相比传统的缝合方式，其能够将复发率降低高达64%。然而，感染率仍处于1%至8%之间，具体取决于手术类型。目前市面上有许多声称能防止感染的新手术网状材料，通常通过抗菌涂层来杀灭细菌。但这种方法可能对微生物产生选择压力，从而促进抗菌耐药性的出现。与疝气网状材料相关的常见病原体包括**金黄色葡萄球菌**（包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌，MRSA）和**表皮葡萄球菌**（*Staphylococcus epidermidis*），而常见的革兰氏阴性菌包括**铜绿假单胞菌**、**大肠杆菌**（*Escherichia coli*）和**克雷伯菌属**（*Klebsiella spp*）。在临床实践中，手术网状材料还可能引发炎症反应，这种炎症可能由感染引起，但也可能与异物反应有关，从而延缓术后愈合过程。因此，开发一种能够有效防止细菌生物膜形成且不依赖抗菌剂的新型生物引导手术网状材料，将对疝气修复领域带来重大突破。

手术网状材料通常采用编织结构，这种结构通过交错纤维提供更高的强度，特别适用于需要支撑受损组织的手术材料，如疝气网状材料。近年来，一种新兴的制造技术——静电纺丝（electrospinning）被用于生产手术网状材料。静电纺丝能够在连续、可扩展和经济高效的方式下形成纳米至微米级直径的纤维非织造材料，且纤维形态可通过配方和纺丝参数进行精确控制。传统的静电纺丝方法通常使用平板收集器，使纤维呈现出随机排列的形态。这种非织造材料在伤口修复和疝气手术中具有多种优势，包括纤维之间的纠缠和部分融合形成的结构稳固且自支撑的材料，即使被切割后仍能保持其功能特性。此外，纤维直径在纳米至微米范围内，具有较高的表面积与体积比，以及良好的孔隙率，这些特性能够模拟细胞外基质（ECM）的结构，从而为细胞附着和增殖提供多个位点，同时保持营养和气体交换的通路。

为了克服现有材料的局限性，研究团队开发了一种新型的共聚物——**环十二烷基甲基丙烯酸酯**（CyDMA）与**四氢糠基丙烯酸酯**（THFuA）的共聚物（pCyDMA-co-THFuA）。这种材料具有优化的热性能，其玻璃化转变温度（Tg）为29.2°C，这使得其能够通过静电纺丝加工成纤维，并在人体体温下保持固态，便于处理和应用。与传统的PLA纤维相比，该共聚物纤维不仅能够有效减少**铜绿假单胞菌**和**金黄色葡萄球菌**的生物膜形成，还能促进成纤维细胞的增殖，从而为伤口愈合提供更优的环境。研究团队通过调整纺丝参数和溶剂体系，进一步优化了纤维的形态和性能，最终成功制备出大面积（20 cm × 25 cm）的非织造纤维材料，用于生物实验和临床应用的评估。

为了验证该材料的表面功能特性，研究团队使用了时间飞行二次离子质谱（ToF-SIMS）技术对纤维表面的化学组成进行了分析。结果显示，不同比例的共聚物在表面信号强度上存在显著差异，表明其表面功能特性能够影响微生物的附着行为。此外，研究团队还对材料进行了辐照灭菌测试，发现其在28至32.89 kGy的伽马射线照射下仍能保持结构完整性，未观察到明显的纤维损伤。这些结果表明，该材料不仅具备良好的生物相容性，还能在实际应用中保持其功能特性。

为了进一步评估该材料对细菌生物膜形成的影响，研究团队将pCyDMA-co-THFuA纤维与PLA纤维进行了对比实验。结果显示，pCyDMA-co-THFuA纤维在24小时内显著减少了**铜绿假单胞菌**和**金黄色葡萄球菌**的生物膜形成，分别减少了84%和59%。相比之下，PLA纤维的生物膜形成率较高。这一结果表明，该共聚物纤维具有显著的抗微生物性能。此外，研究团队还对2D平面材料进行了类似的测试，发现其在减少生物膜形成方面同样表现出良好的效果，尤其是在对抗**铜绿假单胞菌**方面，与PLA材料相比，其生物膜形成率显著降低，而在对抗**金黄色葡萄球菌**方面，虽然也有一定效果，但其差异并不显著。这可能与两种病原体的运动方式有关，**铜绿假单胞菌**具有游泳、漫游和扭动等多种运动机制，而**金黄色葡萄球菌**则缺乏运动能力。因此，当**金黄色葡萄球菌**被困在纤维材料中时，其逃脱能力较低，从而更容易被控制。

为了评估该材料对细胞增殖的促进作用，研究团队使用MTS细胞增殖实验对人真皮成纤维细胞进行了测试。结果显示，pCyDMA-co-THFuA纤维在3天内显著促进了细胞增殖，其增殖倍数比PLA纤维高2.2倍，而PLA纤维的增殖倍数仅为1.2倍。这一结果表明，该纤维材料不仅能够减少病原体的附着，还能为细胞提供一个更有利于增殖的环境，从而加速伤口愈合。此外，研究团队还发现，2D平面材料在促进细胞增殖方面同样表现出良好的效果，尤其是在对抗**铜绿假单胞菌**时，其与纤维材料的性能差异不大，这可能意味着该材料的表面结构对细胞行为具有一定的调控作用。

本研究的成果表明，通过结合两种具有不同生物引导特性的材料——CyDMA和THFuA，可以克服单一材料在热性能和机械性能上的不足，从而开发出一种具有优越生物引导特性的新型手术网状材料。这种材料不仅能够有效减少细菌生物膜的形成，还能促进细胞的增殖，为手术提供更安全、更有效的替代方案。未来的研究将进一步探索该材料在更复杂的临床感染模型中的应用，包括多菌种感染和细菌与免疫细胞的相互作用，同时也会进行更大规模的生产测试，以评估其在实际医疗场景中的经济可行性和推广潜力。通过这些努力，这项研究有望为医疗领域带来革命性的进展，减少感染带来的负担，提高患者的生活质量。