通过单宁酸介导的Ga3+/Cu2+配位作用制备工程化抗生物膜涂层：通过破坏细胞膜和干扰铁代谢实现双重目标的生物膜预防

《Journal of Materials Science & Technology》：Engineered antibiofilm coatings via tannic acid-mediated Ga3+/Cu2+ coordination: Dual-targeted biofilm prevention through membrane disruption and iron metabolism interference

细菌生物膜的形成对医疗植入物相关感染具有显著挑战，本研究开发了一种基于鞣酸与Ga3?、Cu2?配位组装的双目标抗菌涂层，通过水相处理实现稳定沉积，在酸性微环境下释放Cu2?破坏膜结构并抑制细菌铁代谢，对铜绿假单胞菌和大肠杆菌作用持续三天，且生物相容性和环境稳定性优异。

　　细菌生物膜在医疗领域构成了一个重要的挑战，尤其是在与医疗器械和植入物相关的慢性感染中。现有的治疗策略往往难以彻底清除成熟的生物膜，这凸显了开发能够有效抑制生物膜形成的预防性表面工程技术的紧迫性。本研究提出了一种双靶向抗菌生物膜涂层，该涂层通过鞣酸与Ga3?和Cu2?离子的配位驱动自组装技术制备而成。该涂层利用了金属-酚类网络的固有粘附特性，能够在无需特殊设备或有机溶剂的情况下，通过简单的水处理实现对基底的无依赖性沉积。该涂层在生理条件下保持稳定，同时在生物膜形成所创造的酸性微环境中释放治疗性离子。Cu2?离子通过膜破坏诱导快速的杀菌作用，而Ga3?离子则通过“特洛伊木马”机制靶向细菌的铁代谢，从而绕过传统的抗菌耐药性途径。这两种离子的协同作用确保了该涂层在三天内对两种临床重要的病原体——铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌具有持续的抗菌生物膜效果。此外，该涂层表现出良好的哺乳动物细胞相容性以及出色的环境稳定性，满足了实际应用中的关键要求。这种双靶向方法为广泛谱、长期抗菌生物膜预防建立了一个新的范式，并为抗感染医疗设备涂层提供了一种可扩展的解决方案。

生物膜是由微生物通过自分泌的胞外多聚物（EPS）包裹形成的结构化社区，对健康构成了重大威胁，尤其是在与植入物和医疗器械相关的感染中。随着人工关节、中心静脉导管以及各种植入式设备在临床中的广泛应用，表面细菌定植导致的生物膜相关感染的风险也随之增加。生物膜保护性的EPS基质通过两种机制增强了生物膜内细菌对抗生素的抵抗力：其一是通过密集的结构阻碍抗生素的扩散；其二是通过反应性成分化学中和抗菌剂。这种结构和化学防御机制使得生物膜内的细菌对抗生素的耐药性比游离的菌群高1000倍，同时也增强了它们对宿主免疫反应和环境压力的防御能力。尽管已有新兴的抗菌材料和替代性治疗策略被开发用于克服生物膜的耐药性，但彻底清除已经形成的生物膜而不损害周围组织或促进抗菌耐药性的临床挑战依然存在。这一限制常常导致慢性感染，加重患者的发病率和死亡率，给医疗系统带来沉重负担。鉴于消除成熟生物膜的难度远大于预防其形成，主动的预防策略在临床中更具价值，特别是在应对慢性生物膜相关并发症方面。因此，对植入物和医疗器械进行具有抗菌生物膜特性的表面修饰已成为预防生物膜相关感染的有前景的方法。

近年来，“特洛伊木马”策略因其利用细菌代谢依赖性而受到广泛关注，成为解决生物膜相关感染的一种创新方法。铁是细菌生存所必需的，并且在生物膜形成过程中起着至关重要的作用，因为它参与了多种生理过程。因此，铁成为理想的治疗靶点。干扰细菌的铁获取和利用途径对于生物膜预防具有重要潜力。镓作为一种后过渡金属，具有红ox惰性和兼容的氧化状态，提供了独特的解决方案。镓离子（Ga3?）在离子半径、电离势和电子亲和力方面与三价铁（Fe3?）非常相似，这使得Ga3?能够在生物系统中模仿Fe3?。这种相似性使得Ga3?通过“特洛伊木马”机制竞争性地取代Fe3?在铁依赖的酶和蛋白质中，从而干扰关键的铁介导的氧化还原过程，破坏代谢平衡。因此，Ga3?通过靶向Fe3?依赖的细胞功能干扰生物膜的形成。此外，镓独特的抗菌机制，与传统抗生素靶点无关，为与传统抗菌剂的协同组合提供了机会。最近的研究进展表明，通过镓基金属有机框架（MOFs）设计的纳米复合系统可以协同释放多种生物杀菌剂，包括氨基糖苷类抗生素庆大霉素和抗菌肽蜂毒。这些纳米复合系统在对抗耐药性病原体时表现出显著优于单独使用Ga3?或生物杀菌剂的抗菌活性，体现了增强抗菌效果的协同作用。

金属离子长期以来被用于对抗细菌感染，从古代疗法到现代医学实践。其中，铜离子（Cu2?）因其广泛的抗菌活性和较低的促细菌耐药性风险而尤为突出。Cu2?通过多种机制发挥杀菌作用：其一是通过与负电荷的微生物细胞膜结合，破坏其结构完整性，增加渗透性，导致细胞质内容物泄漏和膜电位崩溃；其二是通过与DNA相互作用，造成链断裂和交联，从而干扰复制和转录；其三是通过参与类芬顿反应，生成高度毒性的活性氧物种（ROS）。当Cu2?与Ga3?诱导的铁代谢破坏相结合时，Cu2?的杀菌效果表明，将Ga3?和Cu2?纳入表面涂层中，能够提供一种多靶向的策略，用于生物膜的预防。传统的双金属涂层制造方法通常依赖于物理沉积技术，如溅射。例如，Stuart等人通过同时溅射银纳米颗粒和掺镓磷酸生物活性玻璃，开发了双离子释放薄膜，以应对植入物相关的感染。然而，这些方法往往需要昂贵的设备，存在纳米颗粒污染的风险，并且在精确控制抗菌离子释放方面面临挑战。因此，迫切需要开发一种新颖、环境可持续的双金属抗菌涂层合成方法。

金属-酚类网络（MPNs）是一种通过金属离子与酚类配体配位形成的超分子协调结构，近年来作为工程功能性生物界面的多功能平台而受到关注。这些网络结合了简单水基制造、基底独立粘附以及酚类配体和配位金属物种双重生物活性的优势。最近的研究进展表明，Ga3?和Cu2?能够与多种酚类化合物形成稳定的MPNs，使得成功沉积在多种材料基底上成为可能。鞣酸（TA）是一种天然丰富的酚类化合物，含有多个儿茶酚/吡咯烷基团，是构建双金属协调系统的有效桥接配体。在之前的一项研究中，通过TA与Cu2?和Mg2?的分步配位驱动自组装技术，在细菌纤维素膜上制备了一种多层MPNs涂层。所得到的复合材料通过多价配位相互作用表现出卓越的界面稳定性。值得注意的是，金属-酚类配位键的pH响应特性使得该网络在酸性条件下能够实现程序化解离。这一特性使得在酸性微环境中可控释放Cu2?（一种抗菌剂）和Mg2?（一种血管生成促进剂）成为可能，通过空间和时间协调的离子释放实现同时的感染控制和组织再生。

在此基础上，我们通过TA与Ga3?和Cu2?的配位驱动逐层自组装技术，开发了一种通用的双靶向抗菌生物膜涂层，形成TA/Ga3?/Cu2?（TGC）复合物（方案1）。该TGC涂层通过互补的机制实现双作用抗菌协同：Ga3?介导的铁代谢破坏和Cu2?诱导的杀菌作用。这种协调系统通过多价酚类-金属相互作用实现对基底的无依赖性粘附，使得通过简单的水处理实现对各种医疗基底的表面修饰成为可能，而无需特殊设备或有机溶剂。通过一系列生物试验系统地评估了该涂层对铜绿假单胞菌（P. aeruginosa，革兰氏阴性菌）和金黄色葡萄球菌（S. aureus，革兰氏阳性菌）的抗菌生物膜性能，并探索了潜在的抗菌生物膜机制。此外，还对涂层的细胞毒性、储存稳定性和广泛适用性进行了全面研究。

表面预处理和表征
硅基底和其他材料的预处理程序在支持信息中描述。以硅基底作为代表性基底，沉积过程包括连续10分钟的搅拌（300转/分钟，75℃）浸入以下溶液：（1）TA（1 mmol/L），（2）Ga(NO?)?（3 mmol/L），（3）TA（1 mmol/L），以及（4）CuCl?（2 mmol/L）。在每次浸入步骤之间，基底用去离子水冲洗三次以去除未结合的物质。该四步

制备和表征STGC表面
抗菌生物膜TGC涂层的制备过程如图1所示。以硅基底作为模型基底，建立了一种循环沉积协议，包括连续浸入：（i）TA溶液，（ii）Ga3?溶液，（iii）TA溶液，以及（iv）Cu2?溶液。经过三次沉积循环后，该过程形成了一个包含交替TA/Ga3?（TG）和TA/Cu2?（TC）子层的复合薄膜，共形成六个子层；最终的表面被命名为STGC。

结论
综上所述，通过一种简单的配位驱动自组装技术，开发了一种环保的双金属酚类涂层，集成了双重抗菌机制以实现持续的生物膜预防。该TGC涂层响应于细菌生物膜的酸性微环境（pH≈5.5），通过可控释放Cu2?和Ga3?离子。Cu2?通过破坏膜发挥杀菌作用，而Ga3?则作为非功能性铁模拟物，竞争性地干扰细菌的铁获取和利用。这一双重作用机制为生物膜的预防提供了新的思路，并展示了在实际应用中的巨大潜力。