基于抗菌内皮模拟技术的中心静脉导管合成工程可以有效抑制血管感染和血栓形成

《Frontiers in Materials》：Synthetic engineering of central venous catheter based on antibacterial endothelial simulation can effectively antagonize vascular infection and thrombosis

本研究开发了一种近红外响应的BNN6-PU-PDA复合涂层，用于中心静脉导管（CVC），通过近红外光触发光稳定释放NO，有效抑制细菌生长和白细胞粘附，降低感染和血栓风险，展现出良好的生物相容性和抗菌性能。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的中心静脉导管（CVC）材料，旨在通过引入一种具有近红外（NIR）响应特性的硝酸一氧化氮供体BNN6，提升导管的抗感染和抗炎性能。CVC作为一种广泛应用于临床的植入式医疗器械，常用于快速静脉输液、中心静脉压监测、血液采集以及持续静脉治疗如化疗等场景。然而，长期使用CVC会导致一系列并发症，包括血栓形成和感染。这些问题不仅影响患者的治疗效果，还可能引发更严重的健康风险。因此，寻找一种能够有效减少血栓和感染的新型材料成为医学研究的重要方向。

本研究的核心创新在于利用BNN6这一NIR响应型一氧化氮供体，将其与聚氨酯（PU）和聚多巴胺（PDA）结合，构建出一种具有可控一氧化氮释放能力的复合涂层材料。这种材料的设计不仅考虑了其在体内的生物相容性，还强调了其在抑制细菌生长和炎症反应方面的潜力。一氧化氮（NO）作为一种重要的生物信号分子，在生理过程中扮演着关键角色，尤其是在调节免疫反应和维持血管健康方面。NO具有双重作用：一方面，它能够抑制细菌的生长，另一方面，它还能调节宿主的免疫反应，减少炎症因子的表达。然而，传统的NO供体材料通常缺乏对释放过程的精确控制，这可能导致NO的过度释放或释放不足，从而影响其治疗效果。

为了验证BNN6/PDA/PU复合涂层的性能，研究团队从多个角度进行了系统的实验分析。首先，他们通过血红细胞裂解实验评估了该材料的生物相容性。结果显示，BNN6/PDA/PU材料的溶血率低于2%，表明其在体内具有良好的安全性。同时，通过检测凝血时间、血浆再钙化时间等指标，进一步确认了该材料不会对血液状态产生明显影响，从而降低了血栓形成的风险。这些数据表明，该复合材料在生物安全性方面表现出色，为后续的临床应用奠定了基础。

在抗菌性能方面，研究团队将该材料与传统的PU材料进行对比，发现BNN6/PDA/PU材料在抑制细菌生长方面具有显著优势。通过在不同材料表面培养金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，观察到BNN6/PDA/PU材料表面的细菌数量明显少于PU材料。此外，通过结晶紫染色实验，进一步验证了该材料对细菌生物膜形成的有效抑制。实验结果显示，BNN6/PDA/PU材料在14天的培养周期内仍然能够保持其抗菌性能，而传统的PU材料则表现出较差的抗菌效果。这一发现表明，BNN6/PDA/PU材料不仅能够有效抑制细菌的初期附着，还能长期维持其抗菌活性，从而降低感染的发生率。

除了抗菌性能，研究还评估了该材料对白细胞（如EA.hy926和THP-1细胞）迁移和附着的影响。通过伤口愈合实验和细胞附着实验，研究人员发现BNN6/PDA/PU材料能够显著抑制白细胞的迁移和附着能力。在伤口愈合实验中，该材料表现出与对照组相似的细胞状态，而其他材料则促进细胞迁移。这表明，BNN6/PDA/PU材料能够在不损害细胞活性的前提下，有效减少炎症细胞在导管表面的聚集，从而降低炎症反应的强度。细胞附着实验进一步支持了这一结论，结果显示BNN6/PDA/PU材料能够显著降低白细胞的附着数量，尤其是在长期暴露条件下。这表明，该材料不仅能够抑制短期的炎症反应，还能在较长时间内维持其抗炎性能，这对于长期植入的CVC来说尤为重要。

为了深入理解BNN6/PDA/PU材料的抗炎机制，研究团队还检测了与炎症反应相关的多种分子标志物，包括C反应蛋白（CRP）、白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、纤维蛋白原（FIB）、内皮型一氧化氮合酶（eNOS）、细胞间黏附分子-1（ICAM-1）和血管细胞黏附分子-1（VCAM-1）。实验结果显示，与对照组相比，BNN6/PDA/PU材料能够显著降低这些炎症因子和黏附分子的表达水平。这一发现进一步证明了该材料通过调控NO的释放，能够有效抑制炎症反应的发生。此外，NO的释放还与血栓形成风险的降低密切相关，因为NO能够抑制血小板的激活和炎症细胞的黏附，从而减少血栓的形成。

在材料性能方面，研究团队还验证了BNN6/PDA/PU材料的NO释放稳定性。实验表明，单独的BNN6材料虽然能够快速释放NO，但其释放时间较短，难以维持长期的生物效应。相比之下，BNN6/PDA/PU复合材料能够在21天内持续释放NO，释放速率稳定，表现出更强的生物性能。这种持续释放特性对于需要长期抗炎和抗菌保护的CVC来说至关重要，因为它能够确保在导管使用过程中持续发挥作用，减少因NO释放不足而导致的并发症。

此外，研究还探讨了BNN6/PDA/PU材料在不同光照条件下的NO释放行为。通过使用808 nm近红外激光照射，研究人员发现随着光照强度的增加，NO的释放速率也随之提高。这一发现为未来在临床环境中控制NO释放提供了理论依据，即可以通过调节光照强度来实现对NO释放的精准控制。这不仅提高了材料的可控性，还为未来的个性化治疗方案提供了可能性。

尽管研究取得了一定的成果，但也存在一些局限性。例如，研究中未使用扫描电镜对材料表面的结构进行详细分析，这可能影响对材料微观结构与NO释放机制之间关系的理解。此外，虽然实验已经评估了不同光照强度对NO释放的影响，但尚未单独研究光照对细胞反应的独立作用。未来的研究可以进一步探讨这些方面，以更全面地了解BNN6/PDA/PU材料的性能和潜在应用。

综上所述，这项研究开发出了一种具有NIR响应特性的新型CVC材料，该材料不仅在生物相容性和抗菌性能方面表现出色，还能有效抑制炎症反应和血栓形成。通过将BNN6嵌入到PDA/PU复合涂层中，研究人员成功克服了传统NO供体材料释放不稳定的问题，实现了对NO释放的精准控制。这种材料的引入为CVC的临床应用提供了新的解决方案，有望在未来减少因感染和血栓导致的并发症，提高患者的生活质量和治疗效果。然而，为了进一步推动其临床转化，仍需在材料结构分析、光照影响机制以及动物实验等方面进行深入研究。