组合抗生素负载聚(酯酰胺)涂层和感应加热用于金属表面细菌杀灭

《RSC Applied Polymers》：Combination antibiotic-loaded poly(ester amide) coatings and induction heating for bacterial killing on metal surfacesOpen Access

　　

在这项工作中，研究人员建立了一个多功能平台，该平台结合了抗生素负载聚合物涂层和金属植入物的感应加热（IH），通过热和热触发抗生素释放实现细菌杀灭。该方法采用基于L-苯丙氨酸、1,4-丁二醇和癸二酸的聚(酯酰胺)（PBSe），其玻璃化转变温度（T_g）为41 °C，略高于正常生理温度。抗生素包括万古霉素（VAN）、米诺环素（MIN）、左氧氟沙星（LVX）、利奈唑胺（LIN）和利福平（RIF）以5% w/w负载，未显著改变T_g。抗生素的释放速率因化学结构而异，MIN、LVX和RIF在37 °C下90天内表现出缓慢释放（11–58%）。还制备了由PBSe-RIF-MIN和PBSe-RIF-LVX组成的混合涂层，并表现出持续抗生素释放。常规（50和70 °C）和IH（开/关循环至最高50 °C）加速了每种涂层的抗生素释放。虽然单独使用IH或抗生素负载PBSe涂层对金黄色葡萄球菌（S. aureus）USA300生物膜生长有适度抑制，但两者的组合在野生型和多重抗生素耐药菌株中产生了协同杀菌作用。通过采用双抗生素PBSe-RIF-MIN和PBSe-RIF-LVX涂层，对耐药菌株的活性进一步增强。总体而言，这种聚合物涂层-IH组合方法在预防和治疗骨科器械相关感染方面显示出很好的前景。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

骨科器械相关感染是关节置换和创伤术后最棘手的并发症之一。尽管灭菌、手术技术和抗菌预防有所改进，但感染率仍居高不下，且随着植入手术数量增加，医疗负担日益加重。这类感染的核心病理机制是金属植入物表面生物膜的形成。生物膜不仅作为宿主免疫系统的物理屏障，还通过群体感应、水平基因转移和代谢休眠等机制促进细菌持续存在和耐药性产生。

当前临床干预面临多重困境：修复手术虽为标准方案，但具有侵入性、延长恢复期、增加再感染风险；全身抗生素难以穿透生物膜；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）骨水泥虽可局部释放抗生素，但不可降解，需二次手术取出，且药物释放时间短、释放率低；可吸收材料如硫酸钙和磷酸钙虽免去二次手术，但存在突释问题，难以维持长期感染控制。因此，开发一种能在植入物表面实现长期稳定、外部可控、精准热靶向的抗生素递送系统成为迫切需求。

近年来，感应加热（IH）作为一种通过金属植入物产生局部焦耳热的方法被用于杀灭细菌，但现有系统未能将长期药物储备、外部控制释放和精确热靶向整合于单一平台。本研究旨在建立一种结合抗生素负载聚(酯酰胺)（PBSe）涂层与IH的多功能平台，通过热和热触发抗生素释放实现协同杀菌，并探索不同抗生素种类及组合的释放行为与抗菌效果，为预防和治疗骨科感染提供新策略。该论文发表在《RSC Applied Polymers》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用基于L-苯丙氨酸、1,4-丁二醇和癸二酸的聚(酯酰胺)（PBSe）作为涂层基质，通过共溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）后浇铸到3D打印的Ti-6Al-4V合金圆盘上制备涂层。通过差示扫描量热法（DSC）表征热性能，扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌。抗生素释放通过紫外-可见光谱（UV-vis）定量。感应加热（IH）使用定制线圈系统（123 kHz交变磁场）进行，通过开/关循环使圆盘表面温度达到50°C。细菌实验采用绿色荧光蛋白（GFP）表达的金黄色葡萄球菌（S. aureus）USA300野生型及其耐药菌株（LVX-R、MIN-R、agr::Tc），通过荧光显微镜、结晶紫染色和菌落形成单位（CFU）计数评估生物膜和细菌存活。

**研究结果**

**1. 聚(酯酰胺)涂层的制备与表征**

通过界面聚合合成PBSe，其数均摩尔质量为63 kg mol^?1，分散度为2.6。DSC显示纯PBSe的T_g为41 °C，负载5% w/w抗生素后T_g变化很小（37–44 °C），表明涂层在IH触发释药所需温度范围内保持热转变。SEM显示初始涂层光滑均匀，在37 °C的PBS中浸泡90天后出现表面侵蚀，但未观察到大面积脱落，涂层稳定粘附。

**2. 抗生素从PBSe涂层的释放**

在37 °C下90天内，抗生素释放速率差异显著：MIN和RIF释放最慢（分别仅11%和14%），LVX和VAN释放较快（58%和98%），LIN在10天内完全释放。释放速率与抗生素的疏水性（logP）和分子大小相关：疏水性高、分子大且能形成氢键的抗生素释放慢。加热至50 °C和70 °C后，所有抗生素释放速率显著加快，且70 °C时大部分药物在3 h内释放。

**3. 抗生素组合的负载与释放**

制备了PBSe-RIF-MIN和PBSe-RIF-LVX双抗生素涂层（各2.5% w/w）。在37 °C下90天内，PBSe-RIF-MIN中RIF和MIN各释放约20–30%，PBSe-RIF-LVX中LVX在30天内完全释放。两种组合的释放速率均略高于单药涂层。加热后释放加速，与单药涂层趋势一致。

**4. 感应加热诱导的抗生素释放**

采用IH循环（1 h内5次6 min加热至50 °C/6 min冷却），所有抗生素释放均显著高于37 °C。例如，MIN和RIF在IH下释放18%和14%，而37 °C下仅1%和3%；LVX释放超过70%（37 °C下11%）。抗生素释放浓度分别为15、60和12 μg mL^?1（MIN、LVX、RIF），远高于37 °C下的1.5、7和2 μg mL^?1。

**5. 对金黄色葡萄球菌USA300抗菌效果的定性评估**

荧光显微镜显示，不含抗生素的PBSe涂层形成厚约10–20 μm的致密三维生物膜。IH单独处理使荧光强度和厚度显著降低。PBSe-MIN和PBSe-RIF涂层即使无IH也显示较低荧光，IH进一步减少菌落和厚度。PBSe-LVX涂层荧光较高，但IH后减少。

**6. 金黄色葡萄球菌USA300在钛圆盘上的活性和生物膜生长**

结晶紫染色显示，IH单独使生物膜减少至PBSe对照的50%，抗生素单独（MIN、LVX、RIF）使生物膜减少至23–26%，IH+抗生素进一步降低至18–22%，但差异不显著。CFU计数揭示：IH单独导致10倍CFU减少（1 log）；抗生素单独同样导致10倍减少；但IH+抗生素产生协同效应：PBSe-MIN和PBSe-RIF+IH使CFU减少4 log，PBSe-LVX+IH减少3 log。对耐药菌株，单抗生素涂层几乎无CFU减少，但IH+抗生素使CFU减少3–5 log，其中PBSe-MIN+IH对MIN耐药agr::Tc菌株达到5 log减少。双抗生素涂层（PBSe-LVX-RIF和PBSe-MIN-RIF）即使无IH也实现3 log CFU减少，IH后进一步增至4–5 log，表明双抗生素组合可更好地克服单一耐药。

**总结与结论**

讨论部分指出，IH与抗生素的协同杀菌作用源于加速释药导致局部高浓度抗生素暴露，以及热敏化细菌膜、增强抗生素在生物膜基质中的转运和代谢过程。双抗生素涂层通过不同作用机制覆盖耐药菌株，进一步提高了抗菌效果。结论部分翻译如下：总之，研究人员能够将不同类别的代表性抗生素单独或组合负载到PBSe涂层中，负载量为5% (w/w)，未显著改变聚合物的T_g。在37 °C下的药物释放速率总体遵循更亲水的低logP药物释放更快的趋势，但其他分子特性如大小也起作用。两种抗生素的掺入适度加快了每种药物的释放速率，但原因尚不明确。加热（直接至50或70 °C，或IH循环至最高50 °C）与37 °C相比加速了释放。当使用金黄色葡萄球菌USA300亲本、LVX耐药、MIN耐药和MIN耐药agr::Tc菌株形成的生物膜评估时，单独IH导致生物膜减少约50%（结晶紫）和10倍CFU减少。单独单抗生素掺入对非耐药菌株导致生物膜减少约80%和1 log CFU减少。在相应耐药菌株中，仅观察到50%生物膜减少和CFU无减少。但结合IH后，生物膜减少80–90%，CFU减少3–5 log，甚至对耐药菌株，表明热和抗生素的协同效应。通过掺入多种抗生素，对耐药菌株的活性进一步增强。因此，抗生素负载PBSe涂层为在植入物部位进行热激活抗生素递送提供了一个多功能平台。未来工作将涉及进一步调整抗生素负载和涂层厚度以控制释放浓度，研究3D金属装置上及周围的热传递和细菌杀灭，以及对周围哺乳动物细胞的影响（体外和体内）。