ACS AMI | 预防口腔疾病的新型抗菌抗粘附表面修饰复合凝胶涂层

英文原题：Hydrogel-coated Dental Device with Adhesion-inhibiting and Colony-suppressing Properties

通讯作者：韩冰，北京大学口腔医学院；刘洪亮，中国科学院理化技术研究所；卫彦，北京大学口腔医学院

作者：Liying Peng#, Li Chang#, Mengting Si, Jiuxiang Lin, Yan Wei *, Shutao Wang, Hongliang Liu *, Bing Han *, and Lei Jiang

龋病与牙周病作为口腔三大疾病中的两种，是人类牙体缺损和牙齿缺失的主要原因，而两种疾病最主要的致病因素就是局部菌落堆积，同时细菌感染也是医用材料植入失败的主要原因。因此，如何减少细菌在口腔器材及义齿表面的堆积就成为减少龋病与牙周病患病率的关键问题。在口腔材料表面修饰一层抗菌凝胶，是这一问题可行解决方案之一。

针对材料表面进行修饰达到抗细菌粘附的研究很多，但同时满足抗粘附、抗菌性且具有生物相容性要求的研究报道很少。北京大学口腔医学院韩冰课题组和中科院理化技术研究所刘洪亮课题组共同研发了一种口腔生物材料通用高效抗菌技术，通过抗粘附剂聚乙二醇（PEG）和抗菌剂壳聚糖（Chitosan）硅烷化与聚合，赋予复合水凝胶涂层显著的抗粘附和抗细菌双重效果。

研究人员通过硅烷化反应和聚合反应，在材料表面形成纳米级别网状交联的聚乙二醇凝胶结构，并在其中加入壳聚糖抑菌活性成分，形成聚乙二醇/壳聚糖凝胶复合涂层（图1）。该研究采用X-射线光电子能谱定性分析材料表面组成物质以及原子力显微镜观察材料表面形貌，证实了复合涂层的成功构筑。通过扫描电子显微镜、激光共聚焦荧光显微镜和Image J软件观测计数，评价聚合物不同质量比时材料的抗菌率，发现聚乙二醇与壳聚糖质量比为1/0.1时，所形成的聚乙二醇/壳聚糖凝胶结构抗菌效能最佳，材料表面的抗菌率最高（98.8%，5小时）（图2）。此外，该研究采用接触角测量和Zeta电位测量法，探索了表面亲疏水性和电荷变化对材料抗菌性能的影响（图3）。结果显示，在聚乙二醇/壳聚糖质量比为1/0.1时，结合表面浸润性和表面电位的影响，材料获得了最佳的抗菌性能，进一步增加壳聚糖量导致材料的亲水性降低，且表面正电荷过多，可能有利于带负电的细胞膜更易被吸附，从而不利于粘附抑制性能。抗菌材料的长期有效性和安全性是医用材料的重要评价指标，通过延长材料在菌液中浸泡时间和平板菌落计数法，发现所制备的复合纳米凝胶涂层表现出显著的长期菌落抑制效能（93.3%，7天）（图4）。在CCK-8细胞活性测试中还发现，该凝胶涂层兼具优异的生物相容性。这些结果突显了这种新型纳米材料具有良好的抗粘附性、抗菌性和生物相容性能，有望成为一种安全有效的生物医用抗菌涂料。

图1. 抗粘附、抗菌复合功能水凝胶涂层设计示意图。a）未修饰的不锈钢材料表面细菌明显聚集。b）由于聚乙二醇形成亲水层，不锈钢材料表面细菌粘附显著减少。c）聚乙二醇/壳聚糖凝胶涂层同时具有抗粘附和抗菌性能。

图2. 不同质量比聚乙二醇/壳聚糖凝胶涂层抗菌效能。a）扫描电子显微镜下。b）激光共聚焦荧光显微镜下。c）根据荧光显微镜图像定量评价材料上的细菌密度。d）荧光显微镜图像显示材料上活菌和死菌的表面覆盖量。*P<0.05；**P<0.01与未修饰材料表面比较。

图3. 抗菌性能规律性研究。a） 原子力显微镜下材料表面形貌。b） 接触角变化。c） 表面zeta电位变化。*P<0.05；**P<0.01与未修饰材料表面比较。

图4. 长期抗菌性能研究。a）培养不同时间后变形链球菌菌落的图像。b）平板上菌落的定量评价，*P<0.05；**P<0.01与未修饰材料表面比较。c）对变形链球菌的长期抗菌率，*P<0.05；**P<0.01与聚乙二醇组比较。

该研究结果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces ，本文的第一作者为北京大学口腔医学院的彭丽颖博士和中科院理化技术研究所的常丽博士，通讯作者为韩冰教授、刘洪亮副研究员和卫彦教授，本研究得到国家自然科学基金与万人计划青年拔尖人才基金的资助。

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Hydrogel-coated Dental Device with Adhesion-inhibiting and Colony-suppressing Properties

Liying Peng, Li Chang, Mengting Si, Jiuxiang Lin, Yan Wei, Shutao Wang, Hongliang Liu, Bing Han, Lei Jiang

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b19873

Publication Date: February 6, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）