润滑性生物活性纳米乳液注入和一氧化氮释放表面用于抗污生物医学应用

《Biomaterials Science》：Slippery bioactive nanoemulsion-infused and nitric oxide-releasing surfaces for anti-fouling biomedical applicationsOpen Access

　　

植入式医疗设备极易发生感染和血栓形成，这两种主要并发症源于设备表面的细菌粘附、蛋白质沉积和血小板聚集。为了应对这些挑战，研究人员开发了一种多功能表面，该表面集成了润滑性纳米乳液（nanoemulsion, NE）注入与一氧化氮（nitric oxide, NO）和丁香酚（eugenol, EG）的双重生物活性释放。将基于正十六烷（n-hexadecane）的NE（含或不含丁香酚）注入到S-亚硝基-N-乙酰青霉胺（S-nitroso-N-acetylpenicillamine, SNAP）浸渍的聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）中，制备出具有稳定润滑剂储层的材料，该储层提供抗污性能，并与活性抗菌和抗血栓剂相结合。复合材料SNAP-2%EG表现出低滑动角（<20°），同时在24小时内维持接近生理水平的NO释放。SNAP-2%EG对小鼠成纤维细胞未产生细胞毒性效应，相对细胞活力>70%，同时使金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大肠杆菌（Escherichia coli）的粘附和活力分别显著降低2.95 log和1.76 log。该联合策略使纤维蛋白原吸附减少高达40%，血小板粘附减少98%，从而增强了抗污功效。经丁香酚-纳米乳液注入的SNAP浸渍样品显示出有希望的结果和生物医学应用潜力。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
植入式医疗设备在临床中面临感染和血栓形成两大主要并发症，其根源在于细菌粘附、蛋白质沉积和血小板聚集于设备表面。传统治疗依赖抗生素和抗凝剂，但抗生素耐药性日益严重，而抗凝剂会导致出血等副作用。因此，亟需开发不依赖抗生素和抗凝剂的多功能表面，既能主动抗菌抗血小板，又能被动防污。本研究基于此需求，设计了一种结合润滑性纳米乳液（NE）注入、一氧化氮（NO）释放和丁香酚（EG）释放的多功能表面，旨在同时实现主动杀菌、抗血小板活性和被动防污性能。该论文发表在《Biomaterials Science》上。

**主要技术方法**
研究人员采用以下关键技术：
1. **纳米乳液（NE）制备**：以正十六烷（n-hexadecane）为油相，吐温80（Tween 80）和司盘80（Span 80）为表面活性剂，加入磷酸盐缓冲液（PBS）为水相，通过磁力搅拌和探针超声制备水包油型NE，其中丁香酚（EG）溶于油相（2% v/v）。
2. **SNAP合成与浸渍**：合成S-亚硝基-N-乙酰青霉胺（SNAP），将其溶于四氢呋喃（THF）中，浸渍PDMS膜24小时，形成SNAP浸渍PDMS（SNAP-PDMS）。
3. **NE溶胀**：将NE或EG-NE溶胀入SNAP-PDMS，4小时达到饱和，形成SNAP-2%EG等材料。
4. **表征方法**：动态光散射（DLS）测NE粒径；傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证成分；冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）观察微观结构；滑动角测量评估滑爽行为；化学发光法（NOA）测NO释放。
5. **生物评估**：MTT法测细胞毒性（L-929小鼠成纤维细胞）；荧光法测纤维蛋白原吸附（FITC-Fg）和血小板粘附（钙黄绿素-AM染色）；细菌粘附实验（24小时，菌落计数）评估抗菌效果。样本来源：L-929细胞购自ATCC；金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）购自ATCC；新鲜猪全血取自UGA猪单元。

**研究结果**
**3.1. 含丁香酚的纳米乳液溶胀PDMS的制备与表征**
通过DLS确认NE形成，普通NE粒径87.11±3.05 nm，含EG的NE粒径137.83±6.46 nm，多分散指数（PDI）分别为0.23和0.39，表明均匀性好。Cryo-SEM显示NE在PDMS基体中保持完整。溶胀4小时即可达到饱和，溶胀率显著增加后趋于稳定。

**3.2. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）**
FTIR光谱显示，NE和2%EG均表现出正十六烷、吐温80和司盘80的特征峰，且2%EG在1512 cm^-1和1270 cm^-1处出现EG的C=C和C-O伸缩峰，证实EG成功掺入。

**3.3. 滑爽行为评估**
初始滑动角测量：PDMS和SNAP样品的滑动角为90°，无滑爽性；而所有NE溶胀样品（包括PDMS-NE、SNAP-NE、PDMS-2%EG、SNAP-2%EG）滑动角均低于20°（11-13°），表现出滑爽行为。在动态生理条件（PBS，37°C，150 rpm）下孵育24小时后，滑动角略有增加但仍<20°，表明滑爽性持久。

**3.4. 丁香酚负载**
PDMS-2%EG和SNAP-2%EG的EG初始负载量分别为0.27±0.01 mg cm^-2和0.25±0.01 mg cm^-2，SNAP不影响EG溶胀。在生理条件下孵育24小时后，PDMS-2%EG中EG剩余66.62%，SNAP-2%EG中剩余31.47%，差异归因于SNAP扩散促进EG释放。

**3.5. SNAP负载与浸出**
SNAP、SNAP-NE和SNAP-2%EG的SNAP负载量无显著差异（0.55-0.68 mg cm^-2），表明NE溶胀不影响SNAP储库。SNAP浸出实验显示，24小时内浸出量均低于总负载量的10%（约0.03-0.06 mg cm^-2），NE溶胀样品略高但无显著差异。

**3.6. 一氧化氮释放曲线**
NO释放测量：第0天，SNAP、SNAP-NE和SNAP-2%EG的NO通量分别为0.36-0.62×10^-10 mol min^-1 cm^-2，处于生理范围（0.5-4×10^-10 mol min^-1 cm^-2）的临界值。24小时后，各样品NO通量降至0.11-0.25×10^-10 mol min^-1 cm^-2，仍具抗菌活性。SNAP-2%EG的NO释放略高于SNAP，可能因NE溶胀增加了SNAP扩散。

**3.7. 体外抗菌效果评估**
24小时细菌粘附实验：SNAP-2%EG对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的粘附减少2.95 log，对大肠杆菌（E. coli）减少1.76 log，表现出广谱抗菌活性。对照组（PDMS、SNAP、NE样品）效果较弱，而SNAP-2%EG的协同效应（NO+EG+滑爽表面）显著优于单一策略。在弯曲导管表面也观察到类似滑爽行为和2 log的S. aureus减少。

**3.8. 体外生物相容性评估**
**3.8.1. 细胞相容性**
MTT法显示，所有样品组（包括SNAP-2%EG）的相对细胞活力均>70%，符合ISO 10993-5标准，表明无细胞毒性。
**3.8.2. 纤维蛋白原吸附抑制**
荧光纤维蛋白原（Fg）吸附实验：PDMS和SNAP的Fg吸附量约2.9-3.0 μg cm^-2，而NE溶胀样品（包括SNAP-2%EG）的Fg吸附减少27.6%-40.9%，滑爽表面有效抑制了蛋白质吸附。
**3.8.3. 血小板粘附抑制**
钙黄绿素法测血小板粘附：PDMS表面血小板粘附量为1.07×10⁶ cm^-2，SNAP-2%EG显著降低至1.38×10⁴ cm^-2（减少98.71%），优于其他对照组（减少51.6%-90.3%），表明NO、EG和滑爽表面的协同作用最大程度抑制了血小板粘附。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，该研究成功将疏水性抗菌剂丁香酚（EG）整合入纳米乳液（NE）润滑剂储库，并与一氧化氮（NO）释放基材结合，实现主动（NO、EG）与被动（滑爽表面）双模式防污。该策略克服了单独NO释放增强纤维蛋白原吸附的缺点，以及滑爽表面缺乏主动抗菌能力的局限。SNAP-2%EG材料在保持细胞相容性的同时，显著降低了细菌粘附、纤维蛋白原吸附和血小板粘附，且性能优于文献中仅含单一活性成分的体系。
结论部分翻译如下：
临床挑战如感染和血栓形成仍是医疗专业人员的关键问题，尤其是在抗生素耐药性上升和抗凝剂副作用凸显的背景下。若无替代策略，这些问题将持续困扰医疗环境。研究人员假设，将疏水性抗菌剂整合入纳米乳液润滑剂储库，并结合可控NO释放，将增强对感染和血小板聚集的主动与被动缓解。本研究展示了一种多功能表面改性策略，结合滑爽NE注入、可控NO释放和EG递送，以减轻PDMS基医疗设备材料上的血小板粘附和感染。正十六烷NE成功在4小时内溶胀入SNAP浸渍的聚合物网络，形成稳定润滑剂储库，且不降低SNAP负载。这些NE注入表面在动态生理条件下24小时后仍保持低滑动角（<20°），证实了持久的滑爽行为。EG和SNAP均表现出可控的低水平扩散，而NO通量维持在已知诱导抗菌活性的范围内。这些特性共同构成了一个材料平台，该平台保持了细胞相容性（相对细胞活力>70%），并将纤维蛋白原吸附和血小板粘附分别减少39%和98%。此外，SNAP-2%EG表面的主动与被动抗菌和抗污机制使金黄色葡萄球菌减少2.95 log，大肠杆菌减少1.76 log。与先前报道的NO释放聚合物或滑爽液体注入表面相比，该多功能平台独特地整合了双重生物活性递送与持续抗污行为，在无需额外表面化学、多层制造或丢失细胞相容性的情况下，实现了相当或更优的抗菌和抗血小板性能。该工作突出了在滑爽纳米乳液注入的NO释放硅橡胶基质中，润滑剂相中引入第二种生物活性剂EG的独特组合。它提供了表面介导的一种生物活性剂的控释，同时将直接生物活性引入滑爽润滑剂介质。与先前报道的润滑剂注入滑爽表面不同，该工作提供了接触性抗菌和/或血小板调节的可能性，而不仅仅是被动防止粘附。该工作引入了从表面限域生物活性（NO释放基材）到生物活性液体界面（EG负载NE）的更强效转变。该材料在减少因设备故障而需更换的医疗设备数量方面，可有效降低经济负担和材料使用。值得注意的是，本研究的主要目标是建立多功能表面设计并在受控条件下系统评估其性能，缺乏体内验证是局限性。未来需在动态模型（如3天滴流生物反应器或4小时体外循环（ECC）兔模型）中评估SNAP-2%EG材料的抗生物膜积累和抗血栓能力。总之，这些发现突显了生物活性、滑爽NE注入的NO释放表面作为预防植入式医疗设备早期感染和血栓形成的有前景方法。