《npj Biomedical Innovations》：Invisible shield: sprayable supramolecular antimicrobial microscale films for preventing wound and medical device infections
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伤口和器械相关感染难以根除，因为生物膜（biofilm）限制了宿主免疫和抗生素疗效，促进慢性化和耐药性。研究人员在此展示了一种便携、低成本的双注射器喷雾装置，可直接在伤口和植入物表面沉积一层薄薄的自组装抗菌薄膜。该装置共同递送带相反电荷的透明质酸（hyalur
伤口和器械相关感染难以根除，因为生物膜（biofilm）限制了宿主免疫和抗生素疗效，促进慢性化和耐药性。研究人员在此展示了一种便携、低成本的双注射器喷雾装置，可直接在伤口和植入物表面沉积一层薄薄的自组装抗菌薄膜。该装置共同递送带相反电荷的透明质酸（hyaluronic acid, HA）和聚精氨酸（polyarginine, PAR30）——一种阳离子抗菌肽（antimicrobial peptide, AMP），二者在组织-材料界面迅速组装成共形微米级聚电解质复合物（polyelectrolyte complex）。分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟揭示了PAR30/HA复合物内部的位置异质性，并鉴定出N端精氨酸是主导的相互作用热点。所得涂层可黏附于多种基底，接触即杀灭细菌，阻止生物膜形成，并维持持续抗菌效力。该处理对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌（包括金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus、铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa和大肠杆菌Escherichia coli）表现出广谱体外活性。在小鼠伤口感染模型中，喷雾涂层显著降低了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的细菌载量。该配方具有良好的生物相容性，在体内不增加皮肤炎症或IL6水平，并在小鼠切口模型中减轻了术后疼痛和运动缺陷。该技术基于"安全与可持续设计"（safe-and-sustainable-by-design）框架开发，为伤口护理和医疗器械感染预防提供了一种可规模化、无抗生素的策略。
可喷涂超分子抗菌涂层：从实验室到临床的伤口与器械感染防控新策略
一、研究背景与问题
慢性伤口是全球重大健康负担，发达国家约1%–2%的人口一生中可能罹患慢性伤口，且随着人口老龄化这一比例还将上升。慢性伤口可引发蜂窝织炎、感染性静脉炎、坏死、出血乃至下肢截肢等严重并发症。糖尿病足溃疡（diabetic foot ulcers, DFUs）作为常见慢性伤口类型，糖尿病患者感染率高达40%，面临坏疽和截肢的高风险。2021年全球糖尿病患者约5.37亿，预计2030年将增至6.43亿，进一步加剧慢性伤口的疾病负担。
慢性伤口难以治愈的核心障碍在于致病菌的定植与生物膜（biofilm）形成。生物膜是包裹在胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质中的复杂细菌群落，其对抗生素的耐受性较浮游细菌可提高高达10,000倍。生物膜内细菌代谢活性降低、进入缓慢生长甚至休眠状态，使靶向活跃过程的传统抗生素失效；高细胞密度和近距离接触还促进耐药基因传播，催生多重耐药菌株和持续性感染。
除伤口外，医疗器械相关感染同样严峻。以心血管植入式电子器械（cardiovascular implantable electronic devices, CIEDs）为例，2015年德国60,296例CIED手术中，1595例在术后三个月内发生重大感染，死亡率高达8.4%–15.24%。目前尚无方案能同时应对伤口和医疗器械表面的感染问题，因此亟需一种通用策略在伤口和植入器械表面预防感染并促进愈合。
二、研究内容与核心发现
针对上述需求，研究人员开发了一种便携式双注射器喷雾装置，可在伤口和植入物表面原位沉积自组装抗菌薄膜。该装置共同递送带相反电荷的透明质酸（hyaluronic acid, HA）和聚精氨酸（polyarginine, PAR30）——一种阳离子抗菌肽（antimicrobial peptide, AMP），二者在组织-材料界面迅速组装为共形微米级聚电解质复合物（polyelectrolyte complex）。该涂层可黏附多种基底、接触杀灭细菌、阻止生物膜形成并维持持续抗菌效力，对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均表现出广谱体外活性。在小鼠伤口感染模型中，喷雾涂层显著降低了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）的细菌载量。该配方生物相容性良好，不增加体内皮肤炎症或IL6水平，并减轻了小鼠切口模型的术后疼痛和运动缺陷。该技术基于"安全与可持续设计"（safe-and-sustainable-by-design, SSbD）框架开发，提供了一种可规模化、无抗生素的感染预防策略。
三、主要关键技术方法
研究人员采用了以下核心技术方法：（1）双注射器喷雾装置设计与迭代开发，从双腔瓶原型到注射器-喷嘴系统，最终采用两个2.5 mL医用级注射器配合商用鼻腔喷嘴和定制适配器实现同步喷射；（2）分子动力学（molecular dynamics, MD）模拟，在含150 mM氯化钠的水溶液中模拟PAR30/HA复合物的相互作用；（3）拉曼光谱（Raman spectroscopy）分析涂层化学组成与结构特征；（4）聚焦离子束扫描电子显微镜结合能谱分析（FIB-SEM/EDS）表征涂层形貌、厚度和元素组成；（5）体外抗菌活性评价（细菌挑战实验）；（6）细胞毒性测试（Alamar blue法，依据ISO 10993-5:2009标准，使用小鼠胚胎成纤维细胞系Balb/3T3）；（7）体内小鼠模型实验，包括SKH1裸鼠炎症反应评估、MRSA感染模型、伤口愈合与细菌载量监测、术后疼痛行为学评估（von Frey、Hargreaves、干冰测试）和运动协调性测试（beam-walking任务）；（8）安全与可持续设计（SSbD）简化评估，涵盖危害分类、职业健康安全、使用阶段人体与环境风险评估及生命周期评估。
四、研究结果
LbL浸涂背景
传统逐层（Layer-by-Layer, LbL）浸涂通过基底交替浸入聚阳离子和聚阴离子溶液并间以缓冲液冲洗构建多层膜。典型的24双层（PAR30/HA）??膜需约6–13小时完成，虽重现性好且具有抗菌活性，但耗时、复杂且依赖机器人设备，限制了其在护理点的应用。传统喷雾替代方案虽简化了沉积过程，但分离的喷雾系统对同步递送和涂层对称性控制有限。
喷雾装置设计与开发
研究人员开发了紧凑型双容器喷雾装置，将LbL沉积转化为每层数秒完成且无需冲洗。设计经历了从双腔瓶原型（存在组装复杂和雾化不均问题）到同心储液器设计（需超过40次按压，可用性差），最终采用注射器-喷嘴系统：两个2.5 mL医用级注射器作为储液器，商用鼻腔喷嘴雾化，定制适配器实现同步排液。最终原型基于标准化医用组件，结构紧凑、成本高效、适合资源有限环境快速部署。
新型喷雾装置体外抗菌评价
使用ε-聚-L-赖氨酸（εPLL）10 mg/mL和HA 1 mg/mL进行参数优化，发现喷雾层数（1层vs 3层）显著影响抗菌性能，3层喷涂增强了对金黄色葡萄球菌的抗菌效果；10 cm和15 cm喷雾距离均表现出强抗菌活性。随后以PAR30替代εPLL以符合GMP标准（PAR30可通过固相肽合成生产）。在HA固定为3 mg/mL时，提高PAR30浓度（3、5、10 mg/mL）改善抗菌活性但对铜绿假单胞菌仍不理想；将HA提高至5 mg/mL后，10P5H配方（PAR30 10 mg/mL + HA 5 mg/mL）在10 cm和15 cm距离对革兰氏阳性菌和阴性菌均实现>90%生长抑制，被选为最终配方。喷雾涂层钛基底对金黄色葡萄球菌表现出强抗菌能力，且PAR30和HA溶液经高温高压灭菌后仍保持抗菌活性。
喷雾涂层和聚合物溶液的稳定性研究
εPLL/HA涂层钛样品在六种不同溶液中浸泡24小时后仍保持强抗菌活性，证明喷涂聚电解质涂层平台在短期水合条件下的功能稳定性。最终PAR30/HA配方溶液在喷雾装置中室温储存6个月后形成的涂层对金黄色葡萄球菌实现2.97-log减少，支持溶液在室温下至少6个月稳定。
PAR30/HA复合物的计算机模拟研究
分子动力学模拟显示PAR30和HA主要通过极性和离子相互作用结合，与钠离子和氯离子的离子相互作用较少，疏水相互作用罕见。位置特异性分析表明PAR30链中不同残基贡献不均——第1位精氨酸残基显示高频极性和离子相互作用（主导热点），而第11和23位残基交互频率持续较低，强调了序列位置和结构背景在PAR30-HA相互作用中的重要性。
超分子涂层表征
拉曼光谱确认10P5H涂层在Ti40合金和玻璃基底上成功沉积，检测到HA和聚精氨酸的特征振动带（~964 cm?1 C-O-C醚键、~1090 cm?1 C-O糖/醇基、~1330 cm?1 C-N伸缩和CH?/CH?弯曲、~1456 cm?1 CH?/CH?弯曲、~1684 cm?1酰胺I带C=O伸缩、~2930 cm?1 C-H伸缩、~3200-3400 cm?1 O-H和N-H伸缩）。FIB-SEM显示涂层呈非均匀树枝状形貌，Ti40基底上厚度3±1 μm，玻璃基底上3±0.4 μm，涂层与两种基底粘附良好。EDS分析确认涂层表面存在氮、氧、钠、氯等元素，与聚合物层和缓冲液残留NaCl一致。
基于琼脂模型的喷雾涂层评估
将10P5H喷雾涂层直接应用于MH琼脂平板以模拟伤口床环境，对铜绿假单胞菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均实现显著log减少（最高达7-log）。缓冲液对照和单独HA喷雾均无抗菌活性，单独PAR30喷雾获得类似log减少，证实抗菌效果完全由抗菌肽驱动。预填充聚合物溶液的注射器在2–8°C储存18个月后抗菌效力与新鲜制备样品相当。
体外细胞毒性
依据ISO 10993-5:2009标准，使用小鼠胚胎成纤维细胞Balb/3T3进行Alamar blue直接接触测试。10P5H涂层玻璃片24小时后细胞活力>70%，与未涂层对照组无显著差异，远高于细胞毒性阈值（≥30%活力降低判定为细胞毒性），确认涂层体外生物相容性良好。
体内小鼠模型
涂层安全性：宿主炎症反应及相关蛋白检测。 在SKH1裸鼠背部创建两个6 mm全层伤口，10P5H喷雾处理组与未处理组比较。生物发光成像显示两组在伤后3小时均出现正常早期炎症反应，24小时炎症水平显著下降且组间无显著差异。IL6定量确认24小时两组伤口组均升高但无组间差异，48小时均大幅下降接近对照组水平，证明涂层不加剧炎症反应。
体内抗菌活性。 使用生物发光MRSA（Xen31）建立小鼠伤口感染模型。喷雾处理组伤口在感染后48小时内细菌信号持续极低，未处理组则出现强生物发光信号。活菌计数确认喷雾组伤口组织匀浆CFU显著低于对照组。覆盖伤口的纱布压缩物分析显示，喷雾组敷料几乎无细菌信号，对照组则严重污染，证明涂层有效防止细菌定植、降低伤口细菌载量并保护敷料免受污染。
对愈合和伤口污染的长期效应。 喷雾处理组在第4、6、8、10天的总细菌载量和葡萄球菌载量均显著低于对照组（分别使用UriSelect? 4琼脂和葡萄球菌显色琼脂定量）。伤口闭合率分析显示喷雾处理不改变愈合速率。
喷雾处理对术后痛觉过敏的行为学效应。 在足底切口模型中，喷雾施加本身仅引起短暂舔舐和抖动行为，且HA/PAR组与生理盐水组无差异，说明无额外刺激作用。盐水处理的切口小鼠在第2、4天出现机械性痛觉过敏（von Frey测试），第3、5天出现热痛觉过敏（Hargreaves测试），第1、4、6天出现冷痛觉过敏（干冰测试）；而HA/PAR处理组完全预防了机械性和热痛觉过敏的发展，冷痛觉过敏也显著减弱。
喷雾处理对运动协调性的影响（beam-walking任务）。 切口显著增加滑步次数（盐水处理切口小鼠平均8次vs非切口对照组2.3次），但10P5H处理组滑步次数与对照组无显著差异，首次试验分析显示盐水处理切口小鼠滑步显著多于所有其他组，而HA/PAR处理切口小鼠表现与非切口对照组相当，表明喷雾处理可减轻切口引起的精细运动协调缺陷。
安全与可持续设计评估
简化SSbD评估涵盖危害分类、职业健康安全、使用阶段人体与环境风险评估及生命周期评估。体外和体内研究均未观察到细胞毒性和宿主炎症反应。OECD #442D测试显示HA既非致敏剂也非刺激物，PAR30单独测试显示潜在刺激性，但仅在单独测试时观察到，PAR/HA组合或更高级别体内测试中未出现，提示与HA结合可能减轻PAR30的局部刺激性。职业风险评估（StoffenManager）中吸入和皮肤接触风险均为最低等级。使用阶段保守吸入暴露情景（35 m3医院房间无通风、连续5天每日一次应用）下，PAR的风险表征比（RCR）为0.05，HA为0.89，均低于1，表明最坏情况下无预期人体健康风险。环境暴露筛查未显示担忧。简化生命周期评估识别了生物聚合物溶液生产相关的潜在环境热点，但受代理数据集和有限系统边界限制需谨慎解读。
五、讨论与结论
本研究开发的便携式喷雾装置可在伤口和植入器械表面原位递送抗菌聚电解质涂层（HA/PAR30或HA/εPLL），通过拉曼光谱和FIB-SEM验证了在玻璃和钛等临床相关基底上连续多层膜的形成，抗菌效力在存在一定厚度变异的情况下仍得以保留。涂层在降低细菌载量和阻止生物膜建立的同时保持细胞相容性和体内良好耐受性，并减少术后痛觉过敏而不损害运动协调性。生物膜通过EPS基质物理屏障和多种生理遗传因素对抗生素产生高达10,000倍的耐受性，其分泌产物直接损害成纤维细胞和角质形成细胞的增殖迁移并促进凋亡，形成利于慢性化和反复感染的微环境。该喷雾系统通过静电相互作用与带负电的细菌包膜结合，破坏膜完整性而非抑制单一胞内靶点，这种机制加上可调的电荷密度和表面呈现方式，使其成为局部抗菌涂层的有力候选。该技术采用可生物降解聚合物，兼具抗菌活性、生物相容性和伤口保湿支持，尤其适用于不规则伤口几何形状和器械相关环境。喷雾系统设计用于医院和伤口护理中心等受控临床环境，由合格医疗专业人员操作，为慢性伤口管理和植入式医疗器械定制化抗菌涂层递送提供了实用、可规模化的无抗生素策略。
