基于电荷调控的多巴胺与功能性聚合物共沉积技术，用于制备稳定且具有抗菌性能的表面涂层

《Progress in Organic Coatings》：Charge-dependent co-deposition of polydopamine with functional polymers for stable and antibacterial surface coatings

　　

Baihong Yang|Bowen Ran|Cheng Wang|Xiaodong He|Liqun Xu|En-Tang Kang

金砖国家生物医学材料联合实验室，西南大学材料与能源学院，中国重庆400715

摘要

开发有效的抗菌表面涂层对于降低植入物相关感染的风险至关重要。具有不同电荷特性的聚合物，包括非离子型、阳离子型和阴离子型聚合物，已被广泛用于抗菌/防污表面改性。然而，关于它们在涂层形成过程中与多巴胺（PDA）相互作用的系统比较仍然有限。在这项工作中，通过一步共沉积过程，使用多巴胺和具有不同电荷特性的聚合物制备了一系列复合涂层。系统研究了涂层的形成行为、界面粘附性、稳定性、表面形态和抗菌性能。结果表明，与阳离子聚合物（特别是聚季铵盐-2（PQ）和聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）共沉积可以显著提高PDA涂层的粘附性和稳定性。在评估的系统中，PDA-PQ涂层通过接触介导和光热机制表现出明显的抗菌活性，同时保持了良好的细胞相容性，这一点通过体外和体内评估得到了证实。本研究阐明了聚合物电荷在控制基于PDA的涂层形成和性能中的作用，为合理设计用于医疗器械表面的抗菌涂层提供了有价值的见解。

引言

细菌和其他微生物在医疗器械表面的粘附是生物医学材料科学中的一个关键问题。植入后，这些微生物可以在设备表面繁殖并形成生物膜，从而显著影响设备性能并导致植入物相关感染。据报道，大约65-70%的与植入医疗器械相关的感染与材料表面的生物膜形成有关[1]。由于生物膜对抗菌剂和宿主免疫反应的高抵抗力，生物膜介导的感染特别难以根除，导致住院时间延长和死亡率增加[2]，[3]，[4]。尽管自20世纪初引入抗生素以来，抗生素已被广泛用于治疗细菌感染[5]，[6]，但它们对植入物相关感染的有效性仍然有限。随着抗生素耐药性的增加，以及系统给药抗生素在生物膜中的渗透性较差，人们开始开发基于材料的替代策略来预防感染[7]，[8]。因此，用抗菌涂层对医疗器械进行表面改性已成为一种有前景的方法，以抑制细菌定植并抑制材料-生物界面的生物膜形成[9]，[10]，[11]，[12]。

近年来，使用多种材料和制备策略开发了许多抗菌表面涂层。这些涂层要么通过防止细菌粘附，要么在接触表面时诱导细菌失活[13]，[14]。尽管取得了实质性进展，但许多报道的涂层仍然面临挑战，如抗菌耐久性不足、机械强度有限或环境稳定性差，这限制了它们的实际应用[15]，[16]，[17]，[18]。因此，合理设计具有强粘附性、可调表面特性和长期稳定性的多功能抗菌涂层仍然是材料科学中的一个重要目标。

多巴胺（PDA）作为一种通用的表面改性平台，因其强大的基底粘附性和丰富的化学功能而引起了相当大的兴趣[19]，[20]。PDA中的儿茶酚和胺基团以及疏水性芳香环使其能够在广泛的金属、无机和有机基底上沉积，使其成为生物医学和功能材料应用中涂层工程的理想材料[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。然而，PDA涂层存在固有的局限性，包括聚合动力学慢和在极端环境条件下的化学稳定性有限[26]，[27]。这些缺点促使人们通过复合设计和与功能性聚合物的共沉积来改进基于PDA的涂层。

已经证明，将PDA与二级聚合物共沉积是一种调节涂层性能的有效策略。例如，Xie等人[28]报道了一种基于PDA的复合涂层，其中包含了聚乙烯亚胺（PEI）-接枝-磺丁酸甲丙烯酸酯和银纳米颗粒，以实现防污和抗菌功能。Chien等人[29]通过共沉积PEI并随后氯化生成N-卤胺基团，增强了PDA涂层的抗菌活性和稳定性。He等人[30]系统研究了PDA与各种亲水性聚合物（包括聚乙二醇（PEG）、聚乙烯醇、聚(N-乙烯基吡咯烷酮）和聚丙烯酰morpholine）的共沉积，以改善聚(乙烯基氟化物)膜的防污性能。然而，聚合物电荷特性（特别是阳离子型、阴离子型和非离子型聚合物）对基于PDA的涂层的沉积行为、结构稳定性和抗菌性能的影响尚未得到全面探索。

从材料设计的角度来看，聚合物电荷在决定表面相互作用和抗菌行为中起着关键作用。非离子型聚合物（如PEG）由于其亲水性、化学稳定性和生物相容性而被广泛用于防污应用[31]，[32]。阴离子型聚合物（包括聚（谷氨酸）（PGA）和聚（丙烯酸）（PAA）在广泛的pH范围内具有带负电荷的功能基团，并已在生物医学材料中得到广泛应用[33]，[34]，[35]。相比之下，阳离子型聚合物（CPs）如ε-聚赖氨酸（Ply）、聚季铵盐-2（PQ）和聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）含有能够破坏细菌膜的带正电荷的基团，从而实现有效的接触介导的杀菌活性[36]，[37]，[38]。

在这项工作中，通过使用具有不同电荷特性的聚合物（包括PDA-PEG、PDA-PGA、PDA-PAA、PDA-PQ、PDA-Ply和PDA-PHMB）的一步共沉积策略制备了一系列基于PDA的复合涂层。系统研究了这些涂层的沉积行为、涂层稳定性、表面形态和物理化学性质。结果表明，与CPs共沉积显著提高了PDA涂层的稳定性，并赋予了强大的抗菌功能。在研究的系统中，选择了PDA-PQ涂层进行进一步深入分析。其抗菌性能在体外和体内进行了评估，以证明其作为植入材料的强大抗菌表面的潜力（图1）。

部分摘录

材料

由Streptomyces white产生的Ply（分子量=3600-4300）和通过酶降解获得的PGA（分子量约70 kDa）由南京理工大学的Xu Hong提供。PEG（分子量=7200-8800）从上海Titan Scientific Co., Ltd.购买。PAA（分子量=2000）从上海Aladdin Reagent Co., Ltd.购买。PHMB（分子量=3800-4000）和PQ（62 wt%在H2O中）从上海Macklin Biochemical Co., Ltd.购买。大肠杆菌（E. coli，类型：CMCC 44102）和金黄色葡萄球菌

结果与讨论

研究了PDA与PEG、Ply、PQ、PHMB、PAA和PGA在溶液中的分子相互作用，以阐明它们在形成稳定基于PDA的涂层中的作用。这六种聚合物的化学结构如图1a所示。测量了它们与DA溶液的混合物的透射率，以评估PDA的形成和分散行为（图1b）。在聚合之前，六种溶液之间的透射率没有显著差异。经过1天的静置后，

结论

总之，通过将PDA与PEG、Ply、PQ、PHMB、PAA和PGA共沉积，制备了一系列基于PDA的复合涂层，并系统研究了它们的界面相互作用、涂层形成行为和表面性质。PDA-Ply、PDA-PQ和PDA-PHMB表现出强烈的涂层形成能力和在Ti基底上的优异粘附性，这可以归因于PDA与聚合物之间的有利静电和范德华相互作用。相比之下，PDA-PEG，

CRediT作者贡献声明

Baihong Yang：撰写——原始草稿、方法学、研究、概念化。Bowen Ran：软件、方法学、研究。Cheng Wang：方法学、研究。Xiaodong He：方法学、研究。Liqun Xu：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念化。En-Tang Kang：撰写——审稿与编辑、监督、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFE0140300）、国家自然科学基金（U24A20511和22378335）、中央高校基本科研业务费（SWU-XJPY202304）以及重庆微纳生物医学材料与设备工程技术中心的支持。