医疗获得性感染（HAIs）以及持续发展的细菌耐药性已经成为迫切需要解决的全球性问题。抗菌材料在生物医学领域和医院卫生方面的应用引起了人们极大的兴趣，特别是表面设计策略的出现为替代抗生素、防止细菌耐药性发展提供了极大的可能性。厦门大学材料学院任磊教授受邀在Advanced Science期刊上对抗菌表面修饰策略的研究进展和临床潜力进行了全面的综述(图1)。综述的内容包括以下三方面：1）材料表面的刚度、湿度、电性以及形貌对细菌粘附的影响以及相应的抗细菌粘附的表面改性方式；2）材料表面的形貌和化学成分对于生物膜形成的影响以及相应的抗生物膜表面改性方式；3）抵抗临床感染的先进策略。细菌可能会污染医疗器械和植入物的表面，导致伤口感染、菌血症、组织炎症和植入物感染。临床感染的严重性，对抗菌材料的抗菌效率、生物相容性、细菌靶向性等多种性能提出了要求。本综述为未来抗菌材料的合理设计提供了相应的表面改性策略的展望。
图 1 抗菌材料表面设计。左:材料表面对抗细菌粘附的关键因素(表面电荷、润湿性、刚度、粘附点和机械相互作用)。右图:抵抗生物膜的各种效应(粗糙度、几何形状、纳米结构、阳离子和amp)。上:超级抗菌系统，通过多种策略(长期防污、智能自洁、触发杀灭、细菌捕获、细菌靶向)，用于临床治疗。
细菌粘附是触发生物材料表面感染的第一步，也是针对性开发抗菌策略的首要目标。一般来说，细菌更喜欢通过非特定的相互作用，如氢键、静电力、疏水相互作用和范德瓦尔斯力，在表面而不是水环境中生长。如果排除细菌的内在特征，表面上的粘附行为很大程度上取决于材料表面的化学性质(例如，表面电荷和疏水性/亲水性)和拓扑结构(例如，表面粗糙度、几何形状和其他物理构型)。对这些因素的深入探讨必将揭示抗细菌粘附表面的潜在机制（图2）。
图 2 抗细菌粘附的表面修饰策略。
大多数抗粘附表面不能完全消除细菌沉积，这导致生物分子、细胞和有机体的积累，进一步导致生物膜的形成。生物膜的沉积在许多领域危及人类的生活，包括海事作业、医药、食品工业和生物技术。生物膜的形成始于浮游细菌与表面的直接接触。细菌生物膜的形成需要经历五个阶段：初始粘附、不可逆粘附、生物膜成熟、细菌分散与细菌再迁徙。在此过程中，生物膜的形成会受到材料表面物理化学性质的强烈影响。近年来，表面改性在阻止不可逆附着、杀灭单个细菌和直接降解生物膜方面表现出了优异的性能（图3）。
图 3 抗生物膜的表面改性策略。
临床感染(如伤口感染、菌血症、组织炎症和植入物感染)给医疗系统中抗菌材料的长期有效性、效率、耐久性和安全性提出了巨大的挑战。为了避免细菌感染，研究人员在表面功能化(如防污，接触杀灭，和杀菌剂释放)方面做了很多努力。然而，现有的策略存在三个主要缺点，包括寿命短、毒性和耐药性。最近，研究人员注意到这些问题，并从实际应用的角度开发了各种有前景的表面改性策略（图4）。这些工作大致可分为两大类:1)预处理防御系统:表面预处理可以使医疗器械具有抗菌粘附或杀灭细菌的能力，避免治疗过程中的细菌感染。这是一种保护医疗器械的被动防御策略;2)靶向杀菌系统:靶向修饰使杀菌材料具有追踪伤口、血液、组织和植入物中的细菌的能力。这种策略不仅降低了杀菌材料在正常生理环境下的毒性，而且大大提高了治疗效果。预处理防御系统与靶向杀菌系统之间的关系类似于中国文化中的“阴阳”概念，在对抗临床感染的过程中是一种互补、相辅相成的关系。
图 4 超级抗菌系统。预处理防御系统：通过长期防污、智能自清洁和触发杀伤保护植入物和医疗设备。靶向杀菌系统：通过静电吸引、受体-配体相互作用、共价键、细菌捕获仿生修饰和微/纳米机器人来捕获并杀灭伤口或者深层器官中的细菌。
如今抗菌材料发展迅速，但只有解决了几个重要问题，临床应用才有可能取得进展。第一个问题是设计新的抗菌策略，这需要对细菌结构有更深入的研究。新的抗菌策略可以为临床治疗提供新的机会，极大地避免细菌耐药性的发展。其次，在抗菌材料的开发过程中，必须仔细考虑生物相容性。虽然在许多研究中没有发现这些材料具有明显的体内毒性，但对其体内毒性的长期研究仍然缺乏。最后，需要建立标准化的质量评价体系。所开发的材料在各种研究中抗菌性能差异很大，这是临床应用发展的主要障碍。一个先进的评价体系可以帮助研究者客观地评价抗菌材料，有效地筛选有前景的材料设计。
目前，人们致力于开发具有实际临床应用潜力的抗菌材料，其中主要关注和兴趣是为糖尿病患者的足溃疡提供解决方案、研发抗菌医用植入物和治疗菌血症。我们认为，细菌的响应性和靶向能力对抗菌材料的设计很有前景，如具有细菌靶向性的纳米粒子、抗菌微纳机器人和智能水凝胶材料。这些抗菌材料具有广阔的临床应用前景。
此外，表面设计是创造抗微生物材料的最好方法，以避免微生物(如病毒)的传播。这些微生物主要通过污染的表面和呼出的飞沫传播。最近，COVID-19大流行导致对可保持表面清洁的抗菌治疗的需求增加，特别是在卫生保健环境中。目前，有关抗菌材料的文献很多，但有关抗病毒材料的文献相对较少。开发更有效的抗病毒材料，实现抗病毒与抗菌相结合，可以缓解病原微生物的传播。
材料科学领域的不断突破和抗菌分子文库的扩大必将丰富抗菌材料的设计和开发策略，具有临床潜力。结合细菌生物学和先进材料设计的先进策略将开发具有理想抗菌性能的材料，进而为现代人类医疗保健的快速发展提供卓越的解决方案。
这项工作最近在线发表在Advanced Science上，李文龙博士研究生是该论文的第一作者，任磊教授和王祖勇副教授为通讯作者。
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来源：高分子科学前沿
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