AFM：“分子鎖” 錨定彈性體涂層---具有強界面結合力的抗黏附鼻支架

摘要

鼻支架取出時的組織黏附易引發二次損傷，傳統抗黏附涂層存在界面結合弱、穩定性差或生物相容性不足等問題。本文報道一種基于鏈纏結模型的生物相容性彈性體涂層，以基材表面接枝的聚合物環為 “分子鎖”，經超聲誘導與硅油浸漬的聚二甲基硅氧烷（PDMS）網絡錨定。該涂層不含毒催化劑、含氟化合物及復雜交聯體系，對日常液體、血液、黏液等生物流體及血痂均具優異抗黏附性，適用于金屬、陶瓷、聚合物等多種基材，界面強度達 MPa 級，水滴滯留力低至≈0.3 μN。其在溶劑浸泡、超聲、刮擦等苛刻條件下保持穩定，在兔鼻中隔止血模型中，有效抵抗血液黏附并加速黏膜傷口愈合，為下一代生物友好型植入器械涂層提供了理想平臺。

一、研究背景

鼻支架是耳鼻喉科術后核心醫療器件，核心功能包括防止黏膜粘連、維持鼻腔氣道通暢及輔助止血。目前臨床常用的鎳鈦（NiTi）合金支架因可重復使用、機械穩定性強而廣泛應用，但術后需在 48 小時內取出 —— 支架表面黏附的血液、血痂與黏膜緊密粘連，取出時易造成二次出血、黏膜撕裂，嚴重影響患者恢復體驗?，F有抗黏附涂層方案存在諸多難以克服的缺陷，功能水凝膠涂層雖能降低表面黏附性，但在開放鼻腔環境中，呼吸氣流會加速水凝膠中水分蒸發，導致潤滑效果隨時間快速衰減，無法維持至支架取出時間點；低表面能涂層含氟化合物類涂層雖抗黏附性優異，但含氟成分在體內可能引發生物相容性風險；硅烷類涂層（包括線性聚合物刷、聚合物環、交聯網絡等）普遍存在抗黏附性與耐久性的權衡，要么抗黏附效果差，要么易脫落；聚電解質涂層通過層層組裝制備，工藝復雜且對環境 pH 敏感，在鼻腔復雜生理環境中易失效；含潤滑成分的交聯聚合物涂層雖能兼顧抗黏附與穩定性，但多依賴非共價作用與基材結合，潤滑液體溶脹時易進一步削弱界面結合力，難以滿足植入器械的長期使用需求。因此，開發一種同時具備強界面結合力、優異抗黏附性、高環境穩定性及良好生物相容性的鼻支架涂層，成為臨床轉化亟需解決的關鍵技術難題。本研究針對這一痛點，提出 “分子鎖” 錨定策略，通過共價錨定與超聲誘導鏈纏結，實現抗黏附性能與界面穩定性的協同優化。

二、核心結果與討論 2.1 涂層的設計與制備

涂層采用四步漸進式制備工藝，各步驟均經嚴格表征驗證，確保結構可控：（1）基材表面改性，通過氧等離子體或堿處理（具體條件：氧等離子體處理 10 分鐘），在基材表面引入大量羥基，為后續活化提供反應位點；（2）異氰酸酯活化，將基材浸入甲苯、三乙胺與異氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPTS）的混合溶液（體積比 50:1:1），室溫反應 12 小時后，120℃真空加熱 30 分鐘，成功在表面引入高活性異氰酸酯基團，X 射線光電子能譜（XPS）檢測到 N 1s（≈399.5 eV）、C-O/C-N（≈286.2 eV）及 C=O（≈288.8 eV）特征峰；（3）“分子鎖” 共價錨定，將活化后的基材浸入丙酮與雙氨基封端 PDMS（NH?-PDMS-NH?）的混合溶液（質量比 1:1），40℃水浴反應 8 小時，通過胺 - 異氰酸酯親核加成形成聚合物環（“分子鎖”），原子力顯微鏡（AFM）顯示，該步驟使玻璃基材表面粗糙度從 0.542±0.019 nm 降至 0.332±0.053 nm，納米缺陷被有效覆蓋，橢圓偏振儀測算 “分子鎖” 接枝密度達 0.71 nm?2；（4）鏈纏結與后處理，引入未交聯 PDMS 鏈與固化劑（硅烷基底與交聯劑質量比 10:1），經全功率超聲處理 30 分鐘（促進 “分子鎖” 與 PDMS 鏈拓撲纏結），80℃熱固化 2 小時后，浸入 10 mPa?s 硅油中 30 分鐘完成浸漬，最終形成 “分子鎖 - PDMS 網絡 - 硅油” 復合涂層。涂層結構與性能可精準調控：旋涂速度從 1500 rpm 增至 7500 rpm 時，涂層厚度從 94.0±1.1 μm 降至 23.8±0.6 μm，含 “分子鎖” 的涂層比無 “分子鎖” 版本厚 2-3 μm，硅油浸漬后因上下層溶脹差異（下層受 “分子鎖” 約束溶脹更少）出現明顯褶皺；浸涂提拉速度從 100 μm/s 增至 500 μm/s 時，鎳鈦合金基材上的涂層厚度從 123.2±1.1 μm 增至 192.1±1.1 μm；熱重分析（TGA）顯示，涂層 5% 失重溫度超 240℃，具備優異的熱穩定性，可耐受體內外復雜環境。

2.2 黏附性能與作用機制

“分子鎖” 結構的核心優勢在于通過鏈纏結強化界面結合，解決了傳統涂層 “抗黏附” 與 “強結合” 的矛盾。將含 “分子鎖” 與無 “分子鎖” 的涂層分別浸入 PDMS 良溶劑正己烷中，無 “分子鎖” 的涂層 10 秒內邊緣即出現褶皺并逐漸蔓延脫落，而含 “分子鎖” 的涂層無明顯形變，僅表面輕微溶脹，證實鏈纏結能有效阻止聚合物鏈脫離基材。剪切強度測試顯示，“分子鎖” 分子量對黏附力影響顯著 —— 分子量從 1000 g/mol 增至 5000 g/mol 時，剪切強度從 0.56±0.04 MPa 提升至 1.18±0.06 MPa；超聲處理時間也顯著影響界面結合，10-30 分鐘內強度持續上升，30 分鐘后達到穩定平臺（1.15±0.05 MPa），表明充足的超聲時間能促進鏈充分纏結；分子動力學模擬機制，構建含 13、40、60 個二甲基硅氧烷單元的 “分子鎖” 模型（低、中、高分子量），與含 300 個單元的 PDMS 鏈進行 1V1 纏結模擬。結果顯示，所有體系中 “分子鎖” 與 PDMS 鏈均在纏結位點協同斷裂（而非單一鏈或錨定位點斷裂），原因是纏結位點的 Si-O 鍵能（≈452 kJ/mol）低于錨定位點 N-C 鍵能的兩倍（≈390 kJ/mol×2）；低、中、高分子量 “分子鎖” 的斷裂力分別為 59.05 nN、61.13 nN、62.52 nN，差異較小，推測宏觀剪切強度的顯著提升源于長鏈 “分子鎖” 空間位阻更小，可形成 “2V2” 甚至更復雜的纏結模式，延長外力作用下的斷裂時間。

涂層的抗黏附性與穩定性均表現出行業領先水平，且具備廣泛適用性。測試 10、50、100、150、200 mPa?s 五種黏度硅油，發現接觸角滯后（CAH）隨黏度從 1.03° 增至 7.52°（高黏度硅油與水滴間剪切應力更大），但高黏度硅油揮發性更低、長期穩定性更好?？紤]鼻支架通常僅植入 48 小時，選擇 10 mPa?s 硅油以平衡抗黏附性與短期使用需求。修飾后各類基材的水滴滯留力均從數十至百余微牛驟降至 1 μN 以下 —— 鎳鈦合金從 156.1±7.9 μN 降至 0.3±0.1 μN，陶瓷從 153.0±6.0 μN 降至 0.4±0.1 μN，聚四氟乙烯從 39.7±3.8 μN 降至 0.2±0.05 μN。日常液體（水、牛奶、可樂）與生物流體（血液、黏液、唾液、眼淚）在涂層表面均能快速滾落，無任何殘留；血痂測試中，新鮮兔血凝固 48 小時后，涂層表面的血痂經輕微氣流即可完全脫落，而未涂層表面的血痂需機械刮擦才能去除；極端環境穩定性表明，200 次 3M 膠帶剝離后，水接觸角從 103.6° 輕微升至 108.8°，CAH 仍 < 5°；刀片刮擦后，硅油快速流動填補劃痕，5 秒內完全自修復。24 小時超聲處理、72 小時 120℃加熱后，玻璃與鎳鈦合金基材上涂層的 CAH 無顯著變化。模擬鼻腔液浸泡 25 天，涂層前進接觸角穩定在 109° 左右，CAH 始終 < 5°，遠優于傳統線性鏈、環狀鏈、交聯網絡及雜化涂層（超聲 18 小時后 CAH 均超 10°，線性鏈涂層甚至達 20° 以上）。

2.4 體內應用驗證

體內實驗全面驗證了涂層的生物安全性與臨床適用性，結果顯著優于未涂層支架。采用 CCK-8 法和活死染色測試，涂層提取物濃度為 12.5%、25%、50%、100% 時，與細胞共培養 24、48、72 小時后，細胞存活率均保持在 90% 以上；活死染色顯示，涂層組與正常組細胞均呈綠色熒光，無明顯紅色死細胞，證實無細胞毒性；對比而言，無 “分子鎖” 的涂層在支架釋放時易從基材脫落，存在肺栓塞風險，而傳統交聯網絡與雜化涂層因含毒成分，細胞存活率僅 60%-70%。選取新西蘭白兔構建黏膜損傷模型，將涂層與未涂層支架對稱植入同一兔的雙側鼻腔（控制變量），樣本量每組 3 只，分別于 2、7、14 天觀察。術后 48 小時取出時，未涂層支架引發兔子明顯掙扎、打噴嚏，涂層支架取出過程平穩，無明顯應激反應。術后 48 小時，涂層支架重量增加 19.6%（黏附物為少量鼻腔分泌物），未涂層支架增加 142.7%（黏附大量血痂、黏膜組織及滲出液）；14 天時，涂層支架重量僅為初始值的 1.5 倍，未涂層支架達初始值的 3 倍。組織學分析顯示，術后 14 天，涂層組再生黏膜上皮結構完整，杯狀細胞與纖毛柱狀上皮細胞清晰可見，纖毛排列整齊；未涂層組出現上皮層缺失、固有層撕裂，SEM 下無可見纖毛結構。炎癥與安全性表明，涂層組鼻腔灌洗液中 IL-6（150±20 pg/mL）、TNF-α（80±15 pg/mL）水平與正常組接近，未涂層組則分別升至 600±50 pg/mL、300±30 pg/mL；HE 染色顯示，兔子心、肝、脾、肺、腎均無異常，證實無器官損傷；PAS 染色顯示，涂層組黏膜黏液分泌量顯著增加，形成有效黏液屏障，降低感染風險。

• 三、總結

本研究創新提出 “分子鎖” 錨定策略，通過共價錨定與超聲誘導鏈纏結，成功制備出兼具強界面結合力、優異抗黏附性、高環境穩定性與生物相容性的彈性體涂層。該涂層以 PDMS 為主體網絡、硅油為潤滑成分，通過基材表面接枝的聚合物環（“分子鎖”）實現穩定錨定，不含任何有毒添加劑，解決了傳統涂層 “抗黏附與界面結合不可兼得” 的核心痛點。

研究的核心優勢體現在三方面：一是界面結合力達 MPa 級，能耐受溶劑浸泡、機械刮擦等苛刻條件；二是抗黏附譜廣，對液體、血痂等均具有超低黏附力（≈0.3 μN），且具備快速自修復能力；三是生物相容性優異，在兔鼻腔模型中能有效減少二次黏膜損傷，加速傷口愈合，炎癥反應輕微。

與傳統涂層相比，該策略的創新點在于：通過 “分子鎖” 的拓撲纏結，同時實現 “強錨定” 與 “低黏附”，無需依賴有毒交聯劑或含氟成分，且適用于多種基材，應用場景可拓展至其他植入器械（如血管支架、導管）。

未來研究將聚焦三方面：一是開展大動物（如犬）實驗，進一步驗證涂層在更接近人體生理環境中的性能；二是優化涂層參數，如硅油負載量、“分子鎖” 分子量，延長植入時長至 7-14 天；三是推進臨床前研究，評估涂層的長期生物安全性與規模化制備可行性，為臨床轉化奠定基礎。該研究為植入式醫療器件的表面功能化提供了新范式，具有重要的臨床應用價值與產業化潛力。

原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202521559 Digital Object Identifier (DOI)

來源：高分子凝膠與網絡