引 言

 

医用涂层是一种应用于医疗器械表面的特殊材料，旨在改善器械的生物相容性、润滑性、耐磨性以及其他功能特性。按照功能一般可分成超滑涂层、抗凝血涂层、抗菌涂层、药物释放涂层和生物相容性涂层几类。抗菌超滑涂层是结合了抗菌与超滑特性的特殊涂层，因其能够在降低有害微生物的表面黏附、抑制有害微生物生长的同时，还能为所附着的基材提供出色的润滑性能，被广泛应用于生物医学领域。

 

1.生物医用抗菌超滑涂层

 

医源性感染是指在医疗或预防工作中，由于未能严格执行规章制度和操作规程，而由病原体所引起的感染。这些病原体可能来源于病人本身、污染的医疗器械、医疗环境或未严格执行的无菌操作等。据世界卫生组织（WHO）报告，全球每年有数百万人发生医源性感染。近年来，中国对医源性感染问题也给予了高度关注。根据公开发布的信息，医源性感染患病率整体呈上升趋势。在生物医学领域中，器械的使用，不仅提高了医疗服务的效率和质量，还深刻影响了患者的治疗效果和生活质量。

 

然而由于器械之间的摩擦、器械与人体的摩擦等，也导致了器械的磨损、功能障碍、组织损伤和维护成本增加等问题。而抗菌超滑涂层的使用，不仅使器械的放置、使 用和取出过程变得更加顺畅，降低患者的疼痛感和异物感，还可灭杀病原微生物，降低器械使用过程中的医源性感染风险的发生。抗菌超滑涂层的性能取决于涂层中的抗菌成分和超滑成分，一般情况下是两种或多种成分协同作用达到的效果，然而并不排除单一的成分能够同时起到抗菌和超滑的效果。抗菌效果的实现是涂层中的抗菌物质通过干扰微生物细胞壁的形成，破坏细胞膜，抑制微生物体蛋白质的合成，干扰其遗传信息的复制，破坏其信息及物质的传输系统等多种方式，使微生物无法完成正常的生命活动，实现对微生物的灭杀。超滑涂层的机制主要涉及涂层表面的特殊结构、低表面能物质和纳米材料的应用。超滑涂层通常具有特殊的表面结构，这些结构有助于减少液体与涂层表面的接触面积，从而降低黏附力。低表面能物质具有 很低的表面张力，其有着优异的疏水、疏油和自润滑性能。这些物质的加入可在医疗器械表面形成一层润滑膜，从而使医疗器械具有很好的润滑性能。纳米材料因其纳米级尺寸使其能够轻松进入医疗器械表面的微小凹坑和损伤部位，并迅速吸附在摩擦表面上，形成一层薄膜来提高器械的润滑性能。同时，纳米粒子在摩擦过程中可以与摩擦表面发生化 学反应，生成耐磨的化学反应膜。反应膜的形成能够隔离摩擦的金属表面，从而降低摩擦和磨损 。

 

2.抗菌超滑涂层在生物医用领域的应用

 

随着医疗技术的不断进步和人们对医疗安全的日益重视，医疗器械的安全性和有效性成为了关注的焦点。抗菌超滑涂层作为一种创新的表面处理技术，能够有效地减少医疗器械在使用过程中引起的感染风险，提高医疗器械的安全性和有效性。目前，利用抗菌超滑涂层的医械产品正逐渐被应用到临床实践中。

 

2.1 牙科矫正器

 

牙齿矫正，作为一种常见的口腔治疗手段，对于改善牙齿排列、恢复咬合功能和调整面部轮廓等有着很好的效果。矫正器已广泛应用于正畸治疗，根据其制作材料和应用一般分为固定矫正器和隐形矫正器。矫正器一般由弓丝与托槽组成。研究发现，矫正器弓丝与托槽之间的摩擦，会抵消大约12%~60%的矫正力。并且矫正器的使用也有着引发龋齿、牙周 病、牙菌斑和口腔粘膜磨损等问题 。固定矫正器的涂层一般采用金属纳米材质。纳米氧化锌（ZnONPs）不仅具有良好的生物相容性和抗 菌性能，而且相比致密的ZnO，纳米氧化锌可以更好地降低摩擦。

 

通过沉积-沉淀法将 ZnONPs 涂覆不锈钢（SS）弓丝，相比未涂覆的弓丝，其摩擦力可减少39%~51%。并且可在托槽与弓丝之间的角度变化0~10的情况下保持超滑性能。当角度增加时，其超滑的能力得到了增强。然而，也有报道称在SS弓丝上涂覆 ZnONPs 后摩擦力没有明显降低，但在陶瓷支架上涂覆 ZnONPs 可以降低摩擦力。更有趣的 是，在SS弓丝和陶瓷支架上涂上ZnONPs 并没有减少摩擦力。这种现象提示，当使用SS弓线和陶瓷支架的组合作为矫正器时，不需要同时在弓线和支架上涂氧化锌涂层，这样在降低成本的同时，还会降低减轻摩擦的效果。银纳米颗粒（AgNPs）是另一种广泛用于正畸矫正 器表面涂层的金属纳米材料。王佳等利用掺杂银的磁控溅射技术成功地在 SS 块上制备了掺杂银的硼化钽（TaAgB）固溶体涂层，涂层将摩擦力降低到了 0.08。由于其良好的硬度、强度和生物相容性，可以用于正畸弓丝和托槽。银镀层作为一种贵金属，原料价格相对较高。然而，纳米银涂层具有多功能特性，即使其价格很高，也可能被公众所接受。因此，有必要开发具有更小摩擦、抗菌等特性的纳米银涂层。

 

聚甲基磺基甜菜碱酯（PSBMA）分子链上同时拥有正电荷和负电荷，且两部分都具有高度的水合作用，是一种高度阻抗蛋白质非特异性吸附的材料，同时也能阻抗细菌黏附以及生物膜的形成。在医学领域，PSBMA可用于制备抗污涂层，以减少蛋白质和细菌的黏附，提高医械的生物相容性。Wei R 等通过甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）开环反应将亲水性聚合物接枝到胺化矫治器材料表面开发了具有润滑 、防污 和防粘附性能的亲水性PSBMA 涂层。该涂层显著降低了矫治器材料表面的摩擦系数，并且对细菌粘附和生物膜形成有着明显的抑制效果。在空气或人工唾液中保存 2 周后，涂层性能保持稳定。对大鼠口腔黏膜无刺激作用。牙菌中包含大量的粘附物，对 PSBMA 膜与牙菌斑微生物相互作用的评估表明，涂层表面生物膜的形成受到显著抑制。在涂层生物相容性得到确认的情况下，通过将 PSBMA 和原代人牙龈成纤维细胞（hgF）共培养发现，完整的PSBMA涂层可以防 hgF 粘附，在调控细胞粘附和增殖方面有着一定的价值。通过原子转移自由基聚合（ATRP）方法可合成 PSBMA 和聚（环氧丙（PPO）基团的共聚物。共聚物中SBMA 重复单元的数量和接触表面积越多，抗菌粘附性能越强。此外，其抗菌能力和依附基材的表面形态也有一定关系，凸表面和凹陷表面对细菌的抵抗力更好。这和共聚物自组装改性过程中，两性离子分子更密集的表面覆盖以及与平面不同的聚合物排列有关。

 

2.2 手术缝合针线

 

手术缝合针线在外科手术中扮演着至关重要的角色，它们被用于各类手术切口的结扎缝合。通过引入抗菌超滑涂层，可以进一步提高手术缝合线的抗菌性能和润滑性能，降低手术部位感染的风险，同时减少缝合线对周围组织的刺激和损伤。聚多巴胺（PDA）可以提高基材表面的耐用性和 耐磨性。PTFE 可赋予低摩擦系数和抗微生物的特性。活性炭粉末作为填料可以填补表面裂纹和不平整表面，且活性炭颗粒有着自润滑的特性，可以降低接触表面的摩擦性能。将聚多巴胺（PDA）、聚四氟乙烯（PTFE）和活性 炭组成涂层用于手术针表面。

 

涂层后的手术针，在聚氯乙烯（PVC）组织体中测试时，最大平均插入力和拔出力可分别降低 62% 和 64%；在牛肾组织中插拔实验，可分别降低 49%和 30%的力。但是这种涂层的耐久性、生物相容性和抗菌性能仍需进一步研究 。在缝合线的研究方面，以聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚酰胺为手术缝合线基材，由羧甲基纤维素钠、壳 聚糖和二葡萄糖酸洗必泰组成的涂层进行抗菌修饰。处理后的缝合线在保持其原有机械强度和拉伸强度的前提下，获得了对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、 肺炎克雷伯菌等致病菌很高的抗性。改良手术缝合线可以稳定可控地提供长达30 d的抗菌特性。但是，缝线的抗菌药物的作用时间、细胞毒性和血液相容性未得到确认，在向临床应用转化过程中，仍需证实缝合线在体内的临床安全性和生物相容性。

 

 

 

2.3 引流导管

 

引流导管是将人体组织间或体腔内积聚的脓血、 液体等导引至体外的器械。在导管的置入和使用过程中，导管与人体组织的摩擦往往会给患者带来不适感。某些情况下，这些不适的持续影响甚至会导致患未经医护人员同意私自拔除导管的情况。在导管使用过程中，外源性感染情况同样是一个严重的问题。抗菌超滑导管的出现很好地解决了这一问题。将 PSBMA 涂覆在PVC 管材上，可制备两性离子涂层。在表面润滑性方面，相比于裸PVC表面，两性离子涂层动态摩擦系数从0.63降低到 0.35。更可以减少超过75%的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌粘附，并且能够延缓生物膜形成。

 

然而，这只是一定程度地延缓生物膜的形成，最终定植的细菌仍可以在表面增殖和迁移，最终形成生物膜。通过光聚合法制备硅胶导管表面木糖醇水凝胶涂层，不仅表现出低摩擦系数（CoF≈0.1），并且得益于木糖醇单元的水合层和防作用，涂层对主要导致尿路感染的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄杆菌等有着普遍的粘附抗性。但是涂层工艺制作复杂，且涂层呈现粘液状态，后期在生产转化过程中，产品的包装和灭菌等问题是转化的难点。具备水响应性Janus 粘附和酸度触发转化的新型水凝胶涂层，可有效防止导管插入过程中水凝胶涂层的脱落，同时涂层摩擦系数仅为 0.03。

 

水凝胶涂层的酸性触发机制使得水凝胶内壳聚糖/牛血清白蛋-白金纳米颗粒适应性释放，有助于减少生物膜形成并协同缓解炎症程度。这在兔尿路感染模型和猪气管插 管模型的试验中，取得了很好的效果。然而，水胶涂层在稳定的保湿性、长期储存等方面需要进一步研究。聚多巴胺具有优异的粘附性，能够牢固地粘附在各种材料表面。这种粘附性使得聚多巴胺在表面修饰、生物医学等领域具有广泛应用。Zhao Y 等采用叔丁基过氧化氢引发接枝聚合的方法成功合成了支化聚电解质聚合物（PEI-PMPC然后将聚合物接枝到了聚多巴胺（PDA）改性的聚氨 酯（PU）表面，生成固体 PDA/PEI-PMP 涂层。与未改性的 PU 表面相比，PEI-PMPC 改性的 PU 表面的大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的粘附显著降低。阳离子聚乙 烯亚胺（PEI）可用于杀死粘附在表面的细菌，但是其 杀菌效果未做具体表述 。通过 PDA 辅助将 PEI、微 量铜（Cu）和 PMPC 沉积在PU上，其中PEI 和微量铜 （Cu）作为协同抗菌组分，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均表现出 99%的抗菌活性。

 

同时，由于 PMPC 的高水合特性，涂层的摩擦系数降低了52%，表现出卓越的润滑性能。由聚乙烯醇（PVA）、β-环糊精（β-CD）、四臂聚乙 二醇（PEG）通过接枝和主客体识别交联，获得的多功能水凝胶涂层（PVEQ）可实现水凝胶中裂纹的自修复。高亲水性 PEG/PVA 骨架和两性离子QAC构建的润滑表面，将摩擦系数降低为原来的十分之一。QAC 在两性离子和阳离子内酯之间的可逆转化，起到了按需 杀菌的效果 ，可有效防反复细菌感染 。PVEO水凝胶是由PEG和 PVA 衍生物制备的，PEG 和 PVA 前体聚合物有着易于获取、低毒性和生物相容性等生物良性特性。然而，涂层材料制作步骤复杂，制备过程中使用的二氯甲烷等化学试剂对环境和人体有一定的危害。由粘蛋白糖蛋白制备的抗菌超滑涂层可以通过增强医械的摩擦学性能和抗生物污染性能来改善其 表面性能。然而，目前获得高功能粘蛋白糖蛋白仍然 是一个耗时的过程，这就导致粘蛋白的价格相当昂贵。对于短期插管和内窥镜使用时的润滑，可用透明质酸、聚乙二醇和葡聚糖等成熟大分子来代替 。

 

 

2.4 骨科植入物

 

抗菌超滑骨科植入物是近年来医疗科技领域的 一项重要创新，旨在解决骨科植入物在植入后可能面临的细菌污染和感染问题，同时可提高植入物的生物相容性和滑动性能。3D打印形成的氮化AMTi6Al4V 合金由于相对光滑和均匀的氮化物层而具有相对较低的摩擦系数，且对金黄色葡球菌有高达30%的抑菌作用。而通过等离子体电解氧化（PEO）在钛上沉积富含 Ca、P 和 Ag 的 TiO2涂层，随着镀层中银含量的增加，涂层后钛表面摩擦系数会有所降低。此外，掺银涂层可以通过释放 Ag+ 来抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长。但是， 此项研究停留在实验室研究初级阶段，如果想要在骨科植入物领域推广应用，PEO 处理的钛表面上的骨形成的研究，镀层后材质的摩擦腐蚀研究是必要的。 

 

基于关节软骨结构和动态滴液润滑机制的启发，HaW等开发了一种由纹理化Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）陶瓷储层和银纳米粒子（AgNPs）杂化超分子水凝胶 组成的新型复合涂层。经由聚乙二醇（PEG）修饰的AgNPs和 a-环糊精（a-CD）的前体溶液可以通过真空渗透法深入（50~60 mm）纹理化YSZ陶瓷基材的孔中，通 a-CD 和分布在 AgNPs表面的 PEG链之间的主客体包合，在孔内原位形成超分子水凝胶。AgNPs 杂化水凝胶有着显著的抗菌性能。而纹理化的YSZ陶瓷不仅提供了一个坚硬的支撑骨架和稳定的储层，还保留了渗透水凝胶的刺激响应凝胶-溶胶转变特性 和药物释放能力，使复合涂层具有优异的抗菌性能、 自润滑和耐磨性能。Chen Z等受贻贝的启发，使用PDA 作为粘合剂，并使用二硫化钼-壳聚糖-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（MCN）复合纳米片（NS）制备了一种润滑涂层。 在有效提高 TiAlV 表面润滑性能的基础上，该PDAMCN 涂层通过使用近红外（NIR）光调节润滑涂层的水化程度，可以实现摩擦性能的调节。二硫化钼作为一种具有高摩擦学特性的二元材料，其光热转换能力在杀菌方面也有着很好的前景。目前，PDA-MCN 涂 层的制备和应用仅处于实验阶段，更多的实际应用场景仍在探索中。

 

3.展望

 

抗菌超滑涂层在生物医学领域具有广阔的应用前景和深远的意义。但是，现阶段大部分涂层制作工艺繁琐，生产转化困难。抗菌超滑涂层可能使用重金属离子（如铜、铅、锌）等具有抗菌活性的物质，这些物质可能对人体和环境带来一定的危害。抗菌超滑涂层在使用过程中，可能会受到环境、摩擦、化学腐蚀等多种因素的影响，从而导致涂层的稳定性和持久性下降，无法在复杂多变的生物医学环境中保持长期有效的抗菌性能。这些问题都限制了抗菌超滑涂层的广泛应用，因此，需要针对以下几个方面进行深入研究。

 

（1）简化抗菌超滑涂层的制作工艺，减少有害化学试剂的使用，简化工艺步骤，向着一步法或者两步法涂层的方向发展；（2）通过聚合反应、接枝反应和交联反应等在基材表面形成化学键或交联结构，将抗菌剂和超滑材料固定在基材上，提高涂层的稳定性和耐久度；（3）抗菌超滑涂层的设计应考虑材料工艺的生物相容性，建立生物相容性好，环境友好型涂层，并通过一定的技术手段（如细胞试验、动物实验等）对其进行确认。

来源：涂层与防护

关键词： 抗菌超滑涂层