細(xì)菌感染每年引發(fā)約1700萬例患者死亡，植/介入醫(yī)療器械引起的細(xì)菌感染顯著增加了患者的發(fā)病率和死亡率，并給患者帶來了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和心理壓力。據(jù)統(tǒng)計，醫(yī)用材料表面細(xì)菌定殖導(dǎo)致的院內(nèi)感染發(fā)生率約為 4%～10%^[1-4] 。此外，每年因院內(nèi)感染而產(chǎn)生的費(fèi)用高達(dá)數(shù)十億美元[5]。因此，細(xì)菌引發(fā)的醫(yī)療器械相關(guān)感染不僅延長了治療周期，增加患者的痛苦，同時也帶來了額外的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。醫(yī)療器械相關(guān)感染的核心是細(xì)菌生物膜的形成，該過程包括5個核心階段：初始的可逆性附著、不可逆附著、細(xì)胞聚集、成熟以及最終發(fā)展成完整的生物膜。在此過程中，細(xì)菌與表面的黏附作用尤為重要[6-9]。當(dāng)細(xì)菌在器械表面發(fā)生不可逆的粘附時，就會發(fā)生感染。因此，抑制細(xì)菌在醫(yī)療器械表面的定殖與生物膜形成是一個亟需解決的關(guān)鍵問題。

為預(yù)防植人和介人類醫(yī)療器械相關(guān)感染，在材料表面構(gòu)建抗菌涂層被認(rèn)為是一種防止細(xì)菌定殖和抑制生物膜進(jìn)一步形成的有效策略[10-14]。目前，針對醫(yī)用材料表面改性的常見方法包括表面接枝和層層自組裝（LBL）等。表面接枝法結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合長期植入的醫(yī)療器械[15]；層層自組裝法操作簡單，可適應(yīng)多種復(fù)雜形狀的基底[16]。然而，這兩種方法都存在一定的局限性，如表面接枝過程比較復(fù)雜，層層自組裝過程需要反復(fù)沉積等問題[17-20]。因此，建立一種簡單高效的在醫(yī)用材料表面構(gòu)建抗菌涂層的方法具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

近年來，γ-聚谷氨酸（γ-PGA）與季銨鹽復(fù)合材料的抗菌性能引起了廣泛關(guān)注。研究表明，γ-PGA與短鏈季銨鹽復(fù)合后的培養(yǎng)液具有抗菌能力[21]。然而，目前的研究主要局限于短鏈季銨鹽體系[21]，對于同時具備疏水締合作用的長鏈烷基季銨鹽與 γ -PGA的復(fù)合機(jī)制及其在醫(yī)用涂層領(lǐng)域應(yīng)用的系統(tǒng)研究仍顯不足。本研究通過結(jié)合長鏈烷基季銨鹽的殺菌作用與 γ -PGA的生物相容性，開發(fā)了一種不溶于水但溶于有機(jī)溶劑（乙醇等）的 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物，基于此特性，通過簡單的浸漬工藝即可在醫(yī)療器械表面形成均勻的抗菌涂層。本方法操作簡便、效率高，為醫(yī)療器械表面抗菌涂層的開發(fā)提供了新的思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Vertex70傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和 AV400 核磁共振波譜儀（德國布魯克公司）；DSA100KRUSS 接觸角測量儀（德國克呂士公司）；TGL-16臺式高速冷凍離心機(jī)（四川蜀科儀器有限公司）;TECAN SUNRISE酶標(biāo)儀（瑞士TECAN公司）；Nano ITC200等溫滴定量熱儀（美國TA公司）。

γ -PGA（重均分子量 2×10⁶g/mol ，南京軒凱生物科技股份有限公司）；十二烷基三甲基氯化銨（簡寫為 C₁₂ ）、十四烷基三甲基氯化銨（簡寫為 C₁₄ ）和十六烷基三甲基氯化銨（簡寫為 C₁₆ ）（阿拉丁生化科技股份有限公司）；熱塑性聚氨酯（TPUElastollan 1185A10，德國巴斯夫公司）；小鼠成纖維細(xì)胞L929和金黃色葡萄球菌（Staphylococcal aureus，S.aureus，ATCC 6538）（上海富衡生物科技有限公司）；CCK-8細(xì)胞計數(shù)試劑盒（博士德生物科技有限公司）。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 γ -PGA復(fù)合物的合成及表征

按照文獻(xiàn)[22]的方法制備 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物，在堿性環(huán)境（ NaOH 溶液）中將 γ -PGA中的谷氨酸部分轉(zhuǎn)變成谷氨酸鈉，而谷氨酸鈉與季銨鹽復(fù)合得到的復(fù)合物更穩(wěn)定。首先將 γ -PGA溶解在NaOH 溶液中[22]，配制成 1%（m/V） 水溶液。分別將3種長鏈烷基季銨鹽（ i_C12 、 C₁₄ 和 C₁₆ ）溶于水，配制成1%（m/V） 的水溶液。將3種季銨鹽溶液分別加入到 γ -PGA溶液中，隨著季銨鹽的加入，溶液逐漸渾濁并產(chǎn)生白色絮狀物，離心，收集白色絮狀物，用去離子水洗滌3次（每次洗滌后離心，棄去上清液），凍干，即得到3種長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物 γ-PGA/C₁₂ 、 γ-PGA/C₁₄ 和 γ-PGA/C₁₆ 。

采用核磁共振氫譜（ ¹HNMR ）表征復(fù)合物的結(jié)構(gòu)。在核磁管中，將 5mgγ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物溶解于0.5mL 氙代二甲基亞砜（DMSO-d6）中，然后進(jìn)行測試。

1.2.2 γ_λ^λγ_λ^λλ^λγ_λ^λλ^λγ_λ^λλ^λγ_λ^λλ^λγ_λ^λλ^λ 與季銨鹽間的相互作用

采用等溫滴定量熱儀進(jìn)行測試，研究 γ -PGA與季銨鹽之間的相互作用。首先，采用Decon90試劑徹底清洗樣品池，并進(jìn)行空白實(shí)驗(yàn)。然后，分別將3種季銨鹽溶液引入滴定管內(nèi)對 γ -PGA溶液進(jìn)行滴定。實(shí)驗(yàn)完成后，將扣除空白的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

1.2.3 γ -PGA復(fù)合物涂層的制備

首先，將熱塑性聚氨酯（TPU）薄膜浸泡在乙醇溶液中，超聲清洗 15min 去除雜質(zhì)。將預(yù)先制備的γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物溶于乙醇中，配制 1%（m/V） 的涂層液，將預(yù)先清潔過的TPU薄膜浸入此溶液中 1min 后取出，在室溫下晾干。采用去離子水清洗薄膜3次，再次干燥后備用。

1.2.4 γ -PGA復(fù)合物涂層的表征實(shí)驗(yàn)

染色實(shí)驗(yàn)采用1.2.3節(jié)的方法在玻璃、鋁片（AI）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）以及TPU薄膜上制備 γ -PGA復(fù)合涂層，將上述涂層浸泡在結(jié)晶紫溶液中 1min 后取出。用去離子水清洗3次，晾干后備用。

接觸角測試將TPU薄膜分別浸泡在 1%（m/V） 的 γ -PGA溶液、 C₁₆ 溶液及 γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物溶液1min 后取出，用去離子水清洗樣品3次，晾干后備用。

1. 2. 5 抗菌性能分析

采用劃線法將S.aureus接種于LB固體培養(yǎng)基表面，在 37^°C 恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 24h 。挑取單一菌落接種于 25mLLB 液體培養(yǎng)基，在 37^°C 恒溫?fù)u床上以 200r/min 轉(zhuǎn)速擴(kuò)增培養(yǎng) 12h ，離心獲取菌體沉淀。采用無菌磷酸鹽緩沖液（PBS）調(diào)節(jié)菌液濃度至 1×10⁷CFU/mL ，采用新鮮LB培養(yǎng)基將其稀釋10倍，得到工作濃度為 1×10⁶CFU/mL 的菌懸液。

在活菌計數(shù)實(shí)驗(yàn)中，將有 γ -PGA涂層和無涂層（作為對比）的TPU薄膜樣品（ 1.5cm×1.5cm 垂直置于12孔培養(yǎng)板中，中心區(qū)域滴加 25μL 菌懸液，覆蓋PE薄膜（ 1cm×1cm ）以實(shí)現(xiàn)均勻鋪展。在 37^°C 靜態(tài)培養(yǎng) 24h 后，加入 3mL PBS緩沖液進(jìn)行超聲洗脫 2min ，收集洗脫液并進(jìn)行連續(xù)梯度稀釋。移取100μL 稀釋菌液均勻涂布于LB瓊脂平板，在 37^°C 下培養(yǎng) 24h ，統(tǒng)計菌落數(shù)。

1. 2. 6 生物相容性實(shí)驗(yàn)

細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)使用含 10% 熱滅活胎牛血清（FBS）及 1% 青霉素-鏈霉素雙抗的DMEM培養(yǎng)基培養(yǎng)L929小鼠成纖維細(xì)胞，待其生長至 90% 密度時，經(jīng) 0.25% 胰酶-EDTA消化處理后，以 1000r/min 轉(zhuǎn)速離心10min ，棄去上層液體，使用培養(yǎng)基重懸細(xì)胞。使用血球計數(shù)板計數(shù)，調(diào)節(jié)細(xì)胞密度，接種于96孔培養(yǎng)板（每孔 1×10⁴ 個細(xì)胞），于 37^°C 、 5%CO₂ 、飽和濕度培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng) 24h ，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞貼壁。移除培養(yǎng)基，分別加入 100μL 經(jīng) 0.9%NaCl 溶液（血清濃度 2% ）浸提 72h 的有涂層的和無涂層（作為對比）的TPU薄膜樣品浸提液，繼續(xù)培養(yǎng) 24h ，棄去浸提液。每孔加入 90μL 新鮮培養(yǎng)基和 10μL CCK-8顯色劑，經(jīng)37^°C 避光孵育 2h 后，采用多功能酶標(biāo)儀測量其在 450nm 處的吸光度（ ΔOD₄₅₀ ），根據(jù)公式（1）計算細(xì)胞的存活率：

溶血實(shí)驗(yàn)取枸櫞酸鈉抗凝新鮮兔血，以 1500r/min 離心 10min ，取 1mL 底層紅細(xì)胞加入到 19mL 生理鹽水中，配制 5%（V/V） 的紅細(xì)胞/生理鹽水懸液，備用。將紅細(xì)胞懸液分別加人到有涂層和無涂層（作為對比）的TPU薄膜樣品表面，在 37^°C 下培養(yǎng) ^1h ，培養(yǎng)結(jié)束后，收集全部液體，以 1000r/min 離心5min ，此時出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，小心地將上層清液轉(zhuǎn)移至新的96孔板內(nèi)，測量其 ΔOD₅₄₀ 。根據(jù)公式（2）計算溶血率：

2 結(jié)果與討論

2.1 γ -PGA與長鏈烷基季銨鹽的相互作用

為探究 γ -PGA與長鏈烷基季銨鹽形成復(fù)合物的機(jī)制，采用等溫滴定量熱法測定了3種不同碳鏈長度（ C₁₂ 、 C₁₄ 和 C₁₆ ）的季銨鹽對 γ -PGA溶液滴定時產(chǎn)生的焓變 （ΔH） 、熵變 （ΔS） 和解離常數(shù) （K_d） 。在滴定過程中， γ -PGA與3種季銨鹽之間的反應(yīng)初期均表現(xiàn)為放熱，后期均轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰幔▓D1A、1C和1E）。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果（如圖1B、1D和1F所示）， γ -PGA與3這種季銨鹽反應(yīng)的 ΔH-TΔS 均小于0，分別為C₁₂（-27.2kJ/mol） 、 和 C₁₆（-28.9kJ/mol） ），表明整個過程主要由熵增驅(qū)動完成。此外，3種季銨鹽與 γ -PGA結(jié)合后的 K_d 為 C₁₂（1.7×10^-5mol/L） 、 C₁₄（1.2×10^-5mol/L） 、 C₁₆（9.7×10^-6mol/L） ，大小順序?yàn)?C₁₂gt;C₁₄gt;C₁₆ 。 K_d 值越大，表示親和力越小，因此3種季銨鹽與 γ -PGA結(jié)合的親和力大小順序?yàn)镃₁₂1416 。親和力越大，形成的復(fù)合物越穩(wěn)定，因此較長的烷基鏈能夠更有效地促進(jìn) γ -PGA與季銨鹽之間形成復(fù)合物。綜上所述，除谷氨酸鈉陰離子與季銨鹽陽離子之間的靜電吸引作用外，長鏈烷基之間的疏水相互作用也是推動 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物穩(wěn)定存在的因素之一。

2.2 γ -PGA與長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與溶解性能

合成了3種 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物，隨著疏水鏈增長， γ-PGA/C₁₂ 、 γ-PGA/C₁₄ 和 γ-PGA/C₁₆ 的復(fù)合物產(chǎn)率 （m/m） 分別約為 35% ！ 40% 和 60% 。以上結(jié)果說明，除 γ -PGA中的谷氨酸鈉陰離子和季銨鹽陽離子的靜電相互作用外，長鏈烷基之間的疏水締合相互作用也有助于形成 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物。根據(jù)等溫滴定量熱實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1）， γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物的親和力及產(chǎn)率均優(yōu)于 γ-PGA/C₁₄ 和γ-PGA/C₁₂ ，因此選擇 γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

采用紅外光譜和 ¹HNMR 對 γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物進(jìn)行表征。如圖2A所示，與純 γ-PGA 的紅外光譜相比， γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物的紅外光譜中出現(xiàn)了 3000cm^-1 以上的寬峰，這是長鏈烷基季銨鹽中季銨鹽特征伸縮振動峰[23]。此外，在 ¹HNMR 譜（圖2B）中出現(xiàn)了 γ -PGA中的酰胺鍵CONH（化學(xué)位移 7.1ppm ）、次甲基CH（化學(xué)位移 ppm ）和亞甲基 CH₂ （化學(xué)位移 1.7～2.1ppm ）的特征峰，以及 C₁₆ 中甲基 CH₃ （化學(xué)位移

0.85ppm ）和亞甲基 CH₂ （化學(xué)位移 1.26ppm ）的特征峰。以上結(jié)果表明成功制備了 γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物。對 γ-PGA/C₁₆ 復(fù)合物在不同溶劑中的溶解性進(jìn)行了探究。結(jié)果表明， γ-PGA/C₁₆ 不溶于水，但能很好地溶于二甲基亞砜（DMSO）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、乙醇（Ethanol）、二氯甲烷（ CH₂Cl₂ ）和四氫呋喃（THF）等有機(jī)溶劑中。

2.3 涂層的表面性質(zhì)分析及普適性驗(yàn)證

結(jié)晶紫作為帶正電荷的染料，可與 γ -PGA復(fù)合物結(jié)合。通過比較染色后的色深，可以評估不同基材上的涂層復(fù)合效果。如圖3所示， γ -PGA復(fù)合物可在多種有機(jī)材料（PET膜、PE膜、PP膜和TPU膜等）

和無機(jī)材料（玻片和鋁膜等）表面形成涂層，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證復(fù)合物能否在材料表面成功形成涂層，采用接觸角測量儀進(jìn)行測量。如圖4所示，未經(jīng)處理的TPU表現(xiàn)出疏水特性，其接觸角約為 90^° 。經(jīng) γ -PGA和 C₁₆ 處理后的TPU，接觸角分別降至78^° 和 82^° ；對于 γ-PGA/C₁₆ 涂層，接觸角為 49.4^° 。上述結(jié)果表明，經(jīng) γ-PGA 和 C₁₆ 浸泡過的TPU在清洗過程中， γ -PGA和 C₁₆ 可能被洗掉，因此 TPU/γ -PGA和 TPU/C₁₆ 的接觸角與原始TPU相近； γ-PGA/C₁₆ 涂層性能與 γ -PGA和 C₁₆ 不同，可在TPU表面成功構(gòu)建穩(wěn)定涂層，因此 γ-PGA/C₁₆ 涂層的TPU接觸角更低。

2.4 涂層的抗菌性能

無涂層TPU在S.aureus鋪板后的細(xì)菌生長情況如圖5A所示，可直觀地觀察到存在大量細(xì)菌菌落。有涂層 （γ-PGA/C₁₆ 的S.aureus鋪板后的細(xì)菌生長情況如圖5B所示，即使涂層劑稀釋5000倍后，平板上也幾乎看不到菌落。分別統(tǒng)計了無涂層（圖5A）和有涂層（圖5B）在不稀釋時的細(xì)菌數(shù)量（圖5C），其中，有涂層 （γ-PGA/C₁₆） ）時的細(xì)菌數(shù)量為0，表明 TPU/γ-PGA/C₁₆ 的殺菌率大于 99.9% 。

2.5 涂層的體外生物相容性評價

通過體外溶血程度和細(xì)胞存活率評估涂層的生物相容性。如圖6A所示，未經(jīng)處理的TPU的溶血率為 0.5% ： PGA-C₁₆ 涂層后的TPU表面盡管溶血現(xiàn)象略有增加，溶血率為 1.5% 。這說明 γ-PGA/C₁₆ 涂層對紅細(xì)胞造成的損傷極小，具有較好的血液相容性。由圖6B可見，L929成纖維細(xì)胞在帶有 γ-PGA/C₁₆ 涂層的 TPU上存活率大于 90% ，表明 γ-PGA/C₁₆ 涂層對L929成纖維細(xì)胞幾乎無毒性，具有較好的細(xì)胞相容性。

3 結(jié)論

基于 γ -PGA和3種長鏈烷基季銨鹽（ C₁₂ ！ C₁₄ 和 C₁₆ ）制備了不溶于水但溶于有機(jī)溶劑（如乙醇和二氯甲烷等）的 γ -PGA/長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物，考察了復(fù)合物的熱力學(xué)常數(shù)和產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)疏水鏈越長，結(jié)合越穩(wěn)定，表明除了 γ -PGA中的谷氨酸鈉陰離子與季銨鹽陽離子之間的靜電相互作用外，長鏈烷基之間的疏水締合作用也有助于形成 γ -PGA長鏈烷基季銨鹽復(fù)合物。此復(fù)合物能夠簡單高效地在醫(yī)用材料表面形成抗菌涂層?？咕鷮?shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， γ-PGA/C₁₆ 涂層的殺菌率大于 99.9% ，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。體外實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，此涂層對細(xì)胞幾乎無毒性，具有較好的生物相容性。本研究為后續(xù)開發(fā)具有卓越性能的多功能抗菌涂層提供了參考。

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Preparation of γ -Polyglutamic Acid Complex Medical Coating and Analysis of Its Antibacterial Properties

LUAN Ke12， XU Dong-Hua2， WANG Ming-Zhe2， ZHANG Xu² ， YAN Qiu-Yan2， SHI De ?An^*1 WANG Rui*3， SHI Heng-Chong2， XU Hong3

1（Hubei Key Laboratory of Polymer Materials， School of Materials Science and Engineering，Hubei University， Wuhan 430062， China）

2（State Key Laboratory of Polymer Physics and Chemistry， Changchun Institute of Applied Chemistry， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130022， China） 3（State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering， Colege of Food Science and Light Industry， Nanjing Tech University， Nanjing 211816， China）

AbstractMedical device related infections caused by bacteria are common complications in clinical practice， and preventing bacterial colonization on the surface of medical materials isone ofthe important challnges in the medicalfield.Therefore，there is an urgent need to construct medical coatings thatcombineantibacterial properties and biocompatibility. In this study， a Y-polyglutamic acid （ γ -PGA） complex with long-chain alkyl quaternary ammonium salts formed by electrostatic and hydrophobic interactions was prepared， which was insoluble in water but soluble in organic solvents （e.g.，ethanol），and was capable of constructing antimicrobial coatings on the surfaces of medical materials in a simpleand eficient manner.The bactericidal efect ofthe coating was verified using viable bacteria counting experiments，and the results showed that the bactericidal rate of the coated thermoplastic polyurethane （TPU） membrane against Staphylococcus aureus was greater than 99.9% compared with that ofthe uncoated TPU membrane.In addition，a cytotoxicityassay was performed using the L929 fibroblast and cell proliferation detection kit （CCK-8）， which showed that thesurvival rate of L929 fibroblasts on coated TPU was greaterthan9O%.Meanwhile，the hemolysis rate of coated erythrocytes was tested using fresh rabbit red blood cells （RBCs），and the hemolysis rate on the coated TPU surface was 1.5% .Theabove results indicated that the coating had good biocompatibility.The preparation method of medical antibacterial coating reported in this study provided anew idea for preventing bacterial infections related to implantable/interventional medical devices.