基于抗菌肽的智能型抗菌涂层研究进展
发布时间：2021-11-09 06:01
抗菌肽作为一种高效、广谱、不致细菌耐药性的抗菌物质受到科研人员的广泛关注。在生物材料表面制备抗菌肽基涂层是减少器械相关细菌感染的有效途径。然而传统抗菌肽释放型涂层受限于抗菌肽存储量,抗菌时效短;抗菌肽直接固定涂层易遭受死细菌对杀菌性能的掩蔽。另外,生物材料使用场景的多变性和复杂性,强烈要求材料的正常服役和抗感染性能具有高度可调控性。将刺激响应聚合物与现有的抗菌策略相结合,并通过精巧的设计来构建智能型抗肽涂层平台,对于获取优异的抗菌特性和丰富体系的使用场景具有重要意义。本文综述了智能型抗菌肽涂层的研究进展,阐述了构建释放型和非释放型涂层的主要策略,分析了刺激响应聚合物在抗菌体系中的作用及角色,探讨了智能抗菌肽涂层在正常服役和感染应对阶段的功能转换设计,并对智能型抗菌肽涂层的未来发展做出展望。
【文章来源】：应用化学. 2020,37(08)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
抗菌肽扰乱细菌细胞膜机理模型[9]
相对于二维结构高分子刷体系,具有三维结构的水凝胶表面具有更高的抗菌肽负载量、药物保留率以及释放机制的可调控性,对未来开发具有定制载药量和释放特性的抗菌涂层具有重要意义。 Sukhishvili等[30]先通过氢键作用构建了PMAA和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的层层自组装涂层,然后以乙二胺和己二酸二酰肼做交联剂,随后去除PVP,获得了内部交联的水凝胶。 该结构下的水凝胶涂层,可以在静电作用下实现对不同抗菌剂的高效负载,同时可以通过选择交联剂来进一步调整抗菌药物的释放。 研究表明,乙二胺和己二酸二酰肼这两种交联剂下的水凝胶基质,在负载抗菌肽L5后具有灵敏的pH响应性,所释放抗菌肽能够有效杀灭表皮葡萄球菌,而采用乙二胺短链交联剂的水凝胶基质可以对培养基中细菌进行响应,有效杀死溶液中的细菌。含有β-羧酸的酰胺物质具有pH响应性水解的特征,在中性pH下可保持结构稳定,但酸性条件下容易发生水解[31]。 将β-羧酸酰胺的酸解特征与细菌酸化进行匹配,可以用于细菌感染智能响应抗菌涂层的设计。 Zhang等[32]采用表面光引发自由基聚合接枝方法构建了PMAA高分子刷改性表面,随后引入乙二胺、2,3-二甲基马来酸酐(DMA),获得具有电荷反转特性的高分子刷。 该高分子刷中β-羧酸侧链使表面在中性条件下呈现电负性,可通过静电作用实现阳离子抗菌肽蜂毒肽的有效负载。 而在酸性条件下β-羧酸酰胺发生水解形成伯胺基团,使表面呈现正电性,此时所负载的阳离子抗菌肽蜂毒肽在静电排斥作用下迅速脱离表面(图4)。 相对于传统的依托电荷中和机制进行抗菌剂释放的体系,基于电荷反转机制的抗菌表面对细菌感染智能性响应的敏感性更高。
间接激活释放途径,又称为守门型(Gatekeeping),是指杀菌肽在初始条件下被响应性外层聚合物所掩盖和隐藏,而在刺激的作用下外层“守门”的功能被解除,将杀菌剂释放。 其典型案例是利用高分子刷对纳米孔功能化,实现人工纳米通道对抗菌剂的智能调控。 前期研究表明,具有二级直径的二氧化钛纳米管可以通过对外管直径的有效选择,来调控抗菌剂的释放曲线,纳米管外管的直径越小,其持续效能越高[33]。华南理工大学王迎军院士课题组[34]将抗菌肽HHC36封装在二氧化钛纳米管中,并利用PMAA作为“把门”高分子以实现对负载抗菌肽的释放调整。 在生理条件下(pH=7.4),PMAA高分子链舒展以阻挡纳米管通道,减少抗菌剂的非特异性释放。 在细菌感染酸化条件下(pH≤6.0),PMAA高分子链收缩,使纳米管通道开放,迅速释放足量的抗菌肽去杀死感染细菌。 相比于非改性和物理吸附把门高分子的纳米管,采用化学固定分子刷的体系具有更好的按需杀菌特性(图6)。 体内实验表明,该体系具有良好的抗菌活性,并在植入后的急性感染期具有良好的生物相容性。 该体系具有载药的广谱性,除了用于抗菌肽,还可实现对其他生物分子传递。
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有“杀菌-释菌”功能转换的智能抗菌表面[J]. 于谦,陈红. 高分子学报. 2020(04)
[2]杀菌-防污功能可转换抗菌材料研究进展[J]. 曹弼宇,孙秀花,高昌录. 现代化工. 2019(S1)
[3]高分子材料在病菌耐药性危机中的机遇与挑战[J]. 张建红,陈婧婕,高玲玲,余骆峰,冯维,任攀宇,叶晓婷,李鹏,黄维. 高分子通报. 2019(10)
[4]抗菌肽的研究现状和挑战[J]. 唐馨,毛新芳,马彬云,苟萍. 中国生物工程杂志. 2019(08)
[5]生物医用材料表面高分子基涂层的功能化构筑[J]. 赵鸣岐,黄威嫔,胡米,任科峰,计剑. 材料导报. 2019(01)
[6]细菌感染微环境响应性高分子材料用于细菌感染性疾病的治疗[J]. 王迎军,黄雪连,陈军建,梁阳彬,熊梦华. 材料导报. 2019(01)
[7]抗菌肽及类抗菌肽的设计、合成及应用[J]. 周欣宇,周春才. 化学进展. 2018(07)
[8]模拟宿主防御肽的尼龙3抗菌聚合物结构设计、合成及活性研究[J]. 钱宇芯,张丹丰,武月铭,陈琦,刘润辉. 高分子学报. 2016(10)
[9]模拟天然抗菌多肽高分子抗菌药物的研究进展[J]. 潘帅,唐建斌. 高分子通报. 2011(12)
本文编号：3484767
【文章来源】：应用化学. 2020,37(08)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
抗菌肽扰乱细菌细胞膜机理模型[9]
相对于二维结构高分子刷体系,具有三维结构的水凝胶表面具有更高的抗菌肽负载量、药物保留率以及释放机制的可调控性,对未来开发具有定制载药量和释放特性的抗菌涂层具有重要意义。 Sukhishvili等[30]先通过氢键作用构建了PMAA和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的层层自组装涂层,然后以乙二胺和己二酸二酰肼做交联剂,随后去除PVP,获得了内部交联的水凝胶。 该结构下的水凝胶涂层,可以在静电作用下实现对不同抗菌剂的高效负载,同时可以通过选择交联剂来进一步调整抗菌药物的释放。 研究表明,乙二胺和己二酸二酰肼这两种交联剂下的水凝胶基质,在负载抗菌肽L5后具有灵敏的pH响应性,所释放抗菌肽能够有效杀灭表皮葡萄球菌,而采用乙二胺短链交联剂的水凝胶基质可以对培养基中细菌进行响应,有效杀死溶液中的细菌。含有β-羧酸的酰胺物质具有pH响应性水解的特征,在中性pH下可保持结构稳定,但酸性条件下容易发生水解[31]。 将β-羧酸酰胺的酸解特征与细菌酸化进行匹配,可以用于细菌感染智能响应抗菌涂层的设计。 Zhang等[32]采用表面光引发自由基聚合接枝方法构建了PMAA高分子刷改性表面,随后引入乙二胺、2,3-二甲基马来酸酐(DMA),获得具有电荷反转特性的高分子刷。 该高分子刷中β-羧酸侧链使表面在中性条件下呈现电负性,可通过静电作用实现阳离子抗菌肽蜂毒肽的有效负载。 而在酸性条件下β-羧酸酰胺发生水解形成伯胺基团,使表面呈现正电性,此时所负载的阳离子抗菌肽蜂毒肽在静电排斥作用下迅速脱离表面(图4)。 相对于传统的依托电荷中和机制进行抗菌剂释放的体系,基于电荷反转机制的抗菌表面对细菌感染智能性响应的敏感性更高。
间接激活释放途径,又称为守门型(Gatekeeping),是指杀菌肽在初始条件下被响应性外层聚合物所掩盖和隐藏,而在刺激的作用下外层“守门”的功能被解除,将杀菌剂释放。 其典型案例是利用高分子刷对纳米孔功能化,实现人工纳米通道对抗菌剂的智能调控。 前期研究表明,具有二级直径的二氧化钛纳米管可以通过对外管直径的有效选择,来调控抗菌剂的释放曲线,纳米管外管的直径越小,其持续效能越高[33]。华南理工大学王迎军院士课题组[34]将抗菌肽HHC36封装在二氧化钛纳米管中,并利用PMAA作为“把门”高分子以实现对负载抗菌肽的释放调整。 在生理条件下(pH=7.4),PMAA高分子链舒展以阻挡纳米管通道,减少抗菌剂的非特异性释放。 在细菌感染酸化条件下(pH≤6.0),PMAA高分子链收缩,使纳米管通道开放,迅速释放足量的抗菌肽去杀死感染细菌。 相比于非改性和物理吸附把门高分子的纳米管,采用化学固定分子刷的体系具有更好的按需杀菌特性(图6)。 体内实验表明,该体系具有良好的抗菌活性,并在植入后的急性感染期具有良好的生物相容性。 该体系具有载药的广谱性,除了用于抗菌肽,还可实现对其他生物分子传递。
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有“杀菌-释菌”功能转换的智能抗菌表面[J]. 于谦,陈红. 高分子学报. 2020(04)
[2]杀菌-防污功能可转换抗菌材料研究进展[J]. 曹弼宇,孙秀花,高昌录. 现代化工. 2019(S1)
[3]高分子材料在病菌耐药性危机中的机遇与挑战[J]. 张建红,陈婧婕,高玲玲,余骆峰,冯维,任攀宇,叶晓婷,李鹏,黄维. 高分子通报. 2019(10)
[4]抗菌肽的研究现状和挑战[J]. 唐馨,毛新芳,马彬云,苟萍. 中国生物工程杂志. 2019(08)
[5]生物医用材料表面高分子基涂层的功能化构筑[J]. 赵鸣岐,黄威嫔,胡米,任科峰,计剑. 材料导报. 2019(01)
[6]细菌感染微环境响应性高分子材料用于细菌感染性疾病的治疗[J]. 王迎军,黄雪连,陈军建,梁阳彬,熊梦华. 材料导报. 2019(01)
[7]抗菌肽及类抗菌肽的设计、合成及应用[J]. 周欣宇,周春才. 化学进展. 2018(07)
[8]模拟宿主防御肽的尼龙3抗菌聚合物结构设计、合成及活性研究[J]. 钱宇芯,张丹丰,武月铭,陈琦,刘润辉. 高分子学报. 2016(10)
[9]模拟天然抗菌多肽高分子抗菌药物的研究进展[J]. 潘帅,唐建斌. 高分子通报. 2011(12)
本文编号：3484767
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