摘要：以植入材料为中心的感染导致的手术失败，严重限制了临床生物医用材料的应用。本文介绍了有关细菌在材料表面粘附的理论，材料表面自由能与细菌在材料表面粘附的关系。并综述了近年来生物医用材料的表面改性的多种方法。

Researches on Surface Modification for Prevention of

Bacterial Adhesion to Implanting Biomaterials

Wu GangWan ChangxiuDuan YourongYue Yilun

（Dept of Polymer Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065）

Abstrach：The failure of operation caused by biomaterials centered infections (BCI) has seriously restricted the clinical application of biomaterials.Two mechanisms of bacterial adhesion and the relationship between surface free energy of bimaterials and bacterial adhesion are introduced and discussed in this paper.Increasing the surface free energy can improve(decrease)the adhesion of some kinds of bacteria.At last,some methods of the surface modification are reviewed.

Keywords：Implanting biomaterials Bacterial adhesion Surface modification▲

以生物医用材料为中心的感染(Biomaterial Centered Infection,BCI)随着生物材料应用的增加发病率明显增高，占医院感染的45%^［1］。特别是人工心瓣膜，全人工髋关节，人造大血管置换等发生感染，将会带来极其严重的后果。一般认为细菌在材料表面经历一个动态的可逆吸附和不可逆粘附过程后，在材料表面附着并分泌形成一层生物膜，该膜既能保护膜内细菌免受宿主体内免疫机制及抗菌素的作用，又能促进细菌的进一步粘附，造成BCI的发生。在临床BCI不仅发生率高且治疗效果差，感染进程常常持续到生物材料取出为止。

目前关于细菌在材料表面粘附的机理尚不明确，但细菌粘附与材料表面特性有关是可能肯定的。Rutter^［2］,Gristina等^［3］研究表明细菌初期在材料表面的粘附是吸引力-斥力平衡的结果。细菌与材料表面的负电荷是产生静电斥力的原因，吸引力主要是范德华力，疏水力，特异性相互作用等。静电斥力使得细菌远离材料表面，但范德华力的第二引力区(离表面约15纳米)能有效地将细菌稳定在该区域。疏水作用力范围离表面约8～10纳米，并且其强度比范德华力强10至100倍，它能有效地克服在范德华力的第一与第二引力区之间的斥力(离表面约2-3纳米)，能使细菌进入第一引力区 ，从而使得细菌细胞膜表面受体与材料表面的配体发生特异性相互作用，造成较强的结合(尽管是非共价结合)。被结合细菌的分泌物又进一步形成生物膜，保护膜内细菌。

Neuman^［4］基于热力学理论建立了一个细菌在材料表面粘附的数学模型：ΔF_adh=γ_SB-γ_SL-γ_BL。其中ΔF_adh为吸附自由能，γ_SB为材料与细菌间的界面张力，γ_SL为材料与介质液体间的界面张力，γ_BL为细菌与介质液体间的界面张力。从热力学角度看，ΔF_adh越小则细菌的粘附就越容易。Absolom^［4］进一步考查细菌与液体表面张力，区分出如下三种情况：

(1)γ_LV＞γ_BV液体表面张力大于细菌表面张力。细菌的粘附随材料表面张力(γ_SV)的变大而减少。

(2)γ_LV＜γ_BV液体表面张力小于细菌表面张力。细菌的粘附随材料表面张力(γ_SV)的变大而增多。

(3)γ_LV=γ_BV细菌与液体表面张力相等。细菌的粘附与材料表面张力无关。

大多数细菌与绝大多数材料表面均具有一定程度的疏水性^［5，6］。改善材料表面的亲疏水特性对减少细菌材料间的疏水作用、细菌的粘附，是可行的方法之一。如Jansen等人^［4］在表皮葡萄球菌对植入聚合物材料粘附的研究中发现，随着材料表面张力的增加，细菌的粘附明显减少。

生物医用材料作为植入材料，使用时主要考虑其生物相容性，即材料表面与宿主之间界面上的相互作用。因此对植入材料的改性主要是对其表面的改性，这些表面改性方法主要有：

1化学手段

1.1表面化学接枝^［7］

仅限于材料表面发生的非均相反应。接枝单体可以是气相或液相，其中液相单体对高分子材料不能有太好的溶解性。为达到只在表面层进行选择性接枝，必须控制自由基的数量或浓度，或者控制好单体的扩散与渗透仅限于表面层发生。区别于传统的聚合物接枝，表面接枝产物因其表面和本体结构不同，只是一种表面接枝改性的复合材料。

1.2偶合接枝

通过偶合接枝，将现成的高分子接枝到材料表面上。要求医用材料表面及要偶合接枝上去的高分子两者都有发生偶合的官能团，如氨基或羟基。否则要设法引入活性官能团。偶合接枝多用在酶固定的场合或者对有生理活性的高分子，比如聚氨基甲酸酯的表面肝素化^［7］。

1.3化学浸渍

通过一个能连续循环浸渍的装置，将溶液中的化学成分引入生物材料最外层表面。Wrobleski^［8］用该法在聚醚氨酯(PEU)表面引入Poly(vinylpyrrolidone)(PVP),Poly(ethyleneglycol)(PEG)及有抗菌效果的碘与硝酸银，降低了材料的表面张力，又提高了 抗菌效果。但这种表面的非化学键作用，随着时间的延长，高分子或其它物质的扩散，效果也会逐渐减小。

2物理手段

2.1高能辐射线

用于高分子材料表面辐照改性的放射线源有γ射线(Co60和Cs137)，β射线(Kr85)，α射线(Po210)及加速器产生的X射线和电子射线等。由于放射线能量比化学键能高，利用它照射材料表面后，聚合物表面经离子化，激发和游离基的产生过程，生成自由基。自由基与其它单体发生接枝聚合反应达到表面改性的目的。Janson B等人^［4］用Co60γ射线辐射接枝的方法将亲水性单体(GOMA，AAm,NVP)接枝到聚醚氨酯(PEU)上，材料表面亲水性大幅度上升，同时对表皮葡萄球细菌粘附减少约50%。

2.2紫外光辐照

材料表面经紫外线照射后，生成自由基，通过自由基再与呈气相或液相的单体接枝，从而在材料表面引入亲水性分子链。为提高紫外线照射反应的效力，常须加入光敏剂。如二苯甲酮，二苯乙醛酮及金属离子Ce⁴⁺，Fe³⁺,Fe²⁺等^［7］。光辐射接枝反应的接枝率与单体活性，光强能量大小，材料的化学单元结构及表面形态，光敏剂浓度，温度，溶剂甚至材料表面溶液层的厚度等因素有关^［8，9］。

2.3低温等离子体

低温等离子体是以低气压放电产生的电离气体，其中蕴含着丰富的活性粒子，可引起多种化学反应，其反应温度低，适于对热敏感的高分子材料。等离子体对材料表面的处理方式很灵活，使用不同的气体及挥发性的化合物，可以获得更广泛的表面化学组成，更适于生物医用材料的表面改性需要。Janson B等人^［4］用等离子体对PEU改性，用丙烯酰胺(AAm)等离子体改性后，在材料表面沉积一层丙烯酰胺膜，既提高了材料的表面张力，又使细菌粘附减少。

2.4电晕放电

经历了一个与低温等离子体类似的自由基产生过程。与无定形态区域发生反应，对结晶区域的作用很小。电晕放电处理效果存在一个退化的问题，若将处理后的LDPE膜露置于空气中，随时间的延长，其表面润湿性会逐渐降低，最后达到平衡。

2.5材料表面涂层

Brigdett^［11］将硅橡胶脑脊液分流管涂上HYDROMER亲水层后，发现细菌的粘附减少90%，他还用一种表面活性剂(聚氧化乙烯和氧化丙烯的合成物)处理聚苯乙烯(PS)表面，可使细菌粘附减少97%。

3生物手段

3.1蛋白涂层

Krinstinsson在观察葡萄球菌对各种医用材料制成的心导管的细菌粘附现象时，发现经血清处理后的心导管细菌粘附明显减少^［12］。Jansen B^［4］发现用含白蛋白4.5%，免疫球蛋白1.2%，纤维蛋白原0.3%的PBS溶液对多种生物材料表面涂层，结果都使细菌的粘附数量减少了。这可能是由于亲水性蛋白层的存在改善了材料表面的亲水性，同时导致细菌粘附的数量降低。实验证明，若材料表面涂层为白蛋白，能减少细菌的吸附。若涂层为纤维蛋白原，至少会导致某一种细菌的粘附增加。

3.2内皮细胞化^［13］

近十年来聚合物表面内皮细胞化在国外已形成研究热点。加拿大的Absolom DR^［14］指出聚合物表面张力直接影响血浆蛋白的吸附和内皮细胞的附着，Boyd