纳米结构银涂层硅酮气管支架在体内赋予杂化抗生物膜活性

《ACS Applied Bio Materials》：Nanostructured Silver-Coated Silicone Tracheal Stents Confer Hybrid Anti-Biofilm Activity In Vivo

　　

细菌定植与生物膜形成仍是气道支架植入的主要局限，导致器械阻塞及感染相关并发症。研究人员将先前开发的等离子辅助微/纳米结构银界面转化至硅酮气管支架，该界面通过降低细菌黏附与控制银释放提供杂化抗生物膜活性。涂层支架经表征确认纳米结构银涂层生成，在体外针对革兰氏阳性与革兰氏阴性菌评价，继而在微型猪气道模型中体内评估。体外实验中，涂层复现了此前在模型硅酮表面观察到的双效抑菌疏水（bacteriophobic）与银介导抗菌行为。体内实验中，植入银涂层支架的动物支气管灌洗液终点菌量低于商用支架组（1.0×108 vs 1.2×109 CFU/mL，p=0.0085）。取出支架上的细菌黏附量涂层组亦显著更低（109 vs 1011 CFU/cm2，降低99.8%，p<0.0001），扫描电镜显示生物膜更薄且成熟度低。肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）与铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等潜在致病菌更频繁出现于商用支架，而涂层支架主要关联原生呼吸道微生物群。综上，纳米结构银涂层硅酮气管支架在严苛的体内气道环境中表现出杂化抗生物膜功能。

研究背景与立项依据

气道支架植入后细菌定植与生物膜形成是临床长期难题，可导致黏液潴留、支架阻塞及支架相关呼吸道感染。既往报道显示气道支架植入3–4周内定植率可达78%，系统性综述中感染率约19%，肺炎为最常见并发症。单纯被动抗污或主动杀菌涂层各有局限：前者在临床复杂环境（调理膜、黏液、磨损）下性能衰减，后者面临释放动力学、细胞相容性与机械功能平衡困难。微纳拓扑可调节润湿与细菌锚定，但单独使用不足以应对临床条件。因此研究人员提出将抑菌疏水拓扑与可控银释放结合的“杂化抗生物膜”策略，并将前期在PDMS（聚二甲基硅氧烷）模型上验证的pp-PFM（五氟苯基甲基丙烯酸酯等离子聚合膜）/银微纳界面平移至商用硅酮气管支架管腔，评估其在真实器械与活体气道中的表现。论文发表于《ACS Applied Bio Materials》“Antimicrobial and Antibiofilm Biointerfaces”特刊。

主要关键技术方法

研究人员采用两步法构建涂层：先在硅酮支架内壁等离子聚合PFM生成pp-PFM界面层，再通过Tollens还原糖反应原位沉积金属银，依聚合/后聚合时长获得sharp blades、thick blades、leaves三种纳米形貌，选thick blades进入体内实验。表征手段含FE-SEM（场发射扫描电镜）、EDX（能谱）、AFM（原子力显微镜）、WCA（水接触角）与ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）银释放定量。体外用ATCC标准株（铜绿假单胞菌PAO1、大肠杆菌HB101/CFT073、肺炎克雷伯菌、耐万古霉素金黄色葡萄球菌、乳杆菌）做生长抑制与黏附计数及结晶紫 biomass 定量。体内采用18头健康雄性微型猪（Sus scrofa domesticus，≥6月龄，>20 kg，Specipig供应），随机植入银涂层或商用未涂层硅酮支架于中段气管，术后第0、14±1、28±1天行支气管灌洗（BW）取样，第28±1天安乐死取支架，做CFU计数、MALDI-TOF鉴定、FE-SEM生物膜形貌、银生物分布ICP及组织病理。

研究结果

Implementation of Coatings on Commercial Tracheal Stents

研究人员在商用医用级硅酮支架内壁成功复现sharp blades、thick blades、leaves三种pp-PFM/银微纳形貌，FE-SEM确认放大至真实器械后形貌完整，据此选thick blades（抑菌疏水与银释放平衡最佳）进行后续体内研究。

Characterization of Thick Blades Silver-Coating on Tracheal Stents

FE-SEM与EDX证实涂层含银、硅、碳、氧，AFM显示均匀微结构，WCA证实超疏水性显著提升（p<0.0001）。ICP-MS显示22天生理介质中银累积释放峰值0.009470 μg Ag⁺/mm²，首24小时为释放高峰，总量低于美国HHS/ATSDR经口（0.10 mg/L）与吸入（0.01 mg/m³）限值，属可控低毒释放。

Bacterial Counts on Bronchial Washes and Bacterial Colonization of Tracheal Stents In Vivo

微型猪模型中，Day 0两组BW菌量无规差异；Day 14仍无显著差异；Day 28银涂层组BW菌量9.9×10⁷±8.7×10⁷ CFU/mL，显著低于商用组1.2×10⁹±6.8×10⁸ CFU/mL（p=0.0085）。取出支架黏附菌量涂层组5.4×10⁸±1.8×10⁸ CFU/cm²，较商用组1×10¹¹±1.6×10¹⁰ CFU/cm²降低约3 log（99.8%，p<0.0001）。MALDI-TOF显示商用组BW与支架面以肺炎克雷伯菌（BW 44%、支架33%）和铜绿假单胞菌（BW 39%、支架16%）为主，涂层组BW与支架面仅见原生猪呼吸道微生物群与机会致病菌，未检出呼吸道致病菌。尸检肉眼见商用支架管腔内黏液栓及管壁间大量生物量，涂层支架仅少量管腔黏液。

Analysis of the Biofilm Attached to Tracheal Stents

FE-SEM显示商用支架生物膜具成熟结构：5–7 μm微菌落、EPS（胞外聚合物基质）支柱、通道分层，平均厚度22 μm；涂层支架仅散在细菌与未成层基质，无微菌落与通道，平均厚度6.02 μm（p=0.0006）。结晶紫体外 biomass 定量与活菌黏附一致，涂层降3–6 log。

讨论与结论翻译

讨论指出，该工作并非单纯用银，而是把等离子辅助pp-PFM/银微纳界面翻译到软质硅酮支架管腔，用“抑菌疏水拓扑减少稳定黏附 + 早期可控银离子释放抑制附着菌”双机制替代传统持续杀菌。体外复现双效，体内在不用抗生素的微型猪气道中显著降低BW菌量、支架黏附量及生物膜成熟度，并把菌群组成拉回近原生状态。银释放首峰覆盖植入早期关键窗口，22天累积量低于毒理限值，提示翻译可行性。

结论：纳米结构银涂层硅酮气管支架在挑战性体内气道环境中展现杂化抗生物膜功能，为软质可变形植入器械的表面工程提供了可转化的平台。