植入物表面的细菌生物膜现象在包括口腔假体,骨科植入物,泌尿系统植入物在内的各个领域均屡见不鲜,是造成植入物失效的主要原因之一。其中,以输尿管支架为代表的泌尿系统植入物由于与体外环境在距离上较为接近,植入物周围感染的现象更加常见。本文在系统地分析和归纳植入物表面生物膜形成机制及抗生物膜策略的相关研究的基础上,从病原体、生物材料及材料与生物膜的相互作用三个方面入手,对传统的抗生物膜策略进行了改进和创新。探索了体内缓释型、防黏附型和触杀型抗生物膜策略在泌尿系统中的可行性和作用机制,同时综合考虑动态降解表面在抗生物膜方面的积极作用和输尿管支架二次拔出手术的医源性创伤,本课题开发了抗菌的纺织基可降解输尿管支架,并探索其抗生物膜机制。具体研究内容和结果如下:(1)从病原体角度入手,为解决传统的缓释型支架面临的突释问题,构建多重纳米缓释屏障。提出用于定制化医疗的术中载药策略及配套的纳米纤维生物胶带(Nanofiber Biotape,NFBT),在输尿管支架表面制备可临时装载的模块化纳米缓释系统。使用静电纺丝技术制备微米级厚度的NFBT。NFBT具有良好的拉伸强度,并且由于静电纺丝过程中的驻极处理和NFBT本身合适的弹性模量,NFBT可与高分子支架牢固结合。可以抵御由输尿管蠕动导致的滑移现象。NFBT对于疏水模型药物呋喃妥因(Nitrofurantoin,NFT)表现为长达28天的零级释放曲线,对亲水模型药物罗丹明B(Rhodamine B,RB)表现为Higuchi模型。体内实验表明,NFBT-NFT可在白猪泌尿系统内维持28天的缓释,期间始终保持>99.9%的抗菌率,NFT药物用量仅为口服时推荐用量的2.68 wt%。由于NFBT-NFT组持续释放抗生素,尿液中细菌浓度远远低于对照组,由细菌黏附引起的表面的生物膜及结壳相应减轻。组织学分析表明NFBT-NFT组的远端组织和近端组织的炎性反应都显著低于对照组,证明了NFBT作为局部给药系统的治疗效率。血常规和血生化指标分析表明,NFBT-NFT在泌尿系统持续释放共150 mg抗生素后,动物的肝肾功能未受到损伤。(2)从生物材料角度入手,针对细菌、蛋白和细胞在植入物表面竞争黏附的阶段,为解决传统高分子输尿管支架的惰性表面由于无法应对蛋白沉积和细菌黏附,容易引发生物膜及尿路感染的问题,构建“防黏附-触杀”协同型的抗生物膜可降解输尿管支架。通过编织和热定型处理构建了“纤-膜”结构可降解支架(Fiber-membrane biodrgradable ureteral stent,FMBUS),支架具备和商用聚氨酯支架相似的形态、尺寸和径向支撑性。且支架的交织纤维结构将膜结构分割为微米级的降解单元,控制了降解碎片的尺寸,防止对输尿管造成梗阻。在支架表面原位沉积聚多巴胺(Polydopamine,PDA)微米粒子,并进一步接枝不同浓度的超支化聚酰胺-胺(hyperbranched poly(amide-amine),HBPAA),构建带正电的亲水表面。随着支架表面氨基密度的增加。一方面,支架的水接触角从102.7±1.51°降为0°,支架和水溶液接触后可以形成水合层,具备水下超疏油性。另一方面,支架表面zeta电位由-35.58±0.6 m V转为+21.36±1.36 m V。水合层的阻隔作用和表面电荷的静电吸附作用同时影响蛋白质的吸附行为。达到亲水范畴后,水合层的阻隔作用大于静电吸paediatric thoracic medicine附作用,支架对带正电的溶菌酶和带负电的人血清白蛋白都具有排斥作用。引入HBPAA后,支架可以有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的黏附(>99.9%)。防细菌黏附的结果也表明,在10~8 CFU/m L浓度的菌液中,支架表面的最终黏附量低GNE-140体内实验剂量于100 CFU/cm,显示出优异的抗细菌黏附效果,也证实了触杀细菌-防蛋白黏附的协同抗生物膜机制的有效性。大动物白猪体内实验表明,纤膜结构支架的降解周期为7-14天,HBPAA-PDA-FMBUS-4表面观察到细菌出现了明显的变形和塌陷。支架表面细菌计数结果显示,支架在植入后第4天表现出大于99%的抑菌率,在第7天还能大于90%,表现出稳定的防生物膜效果。(3)从生物膜与植入材料的MRTX1133相互作用入手,针对生物膜成熟及发展阶段,构建“触杀-降解”协同型抗生物膜输尿管支架,进一步强化触杀效果与支架降解行为的匹配性。首先制备具有热稳定性和还原性的HBPAA包裹的银包金纳米粒子(Ag@Au NPs),由于HBPAA具有高温下的稳定性和还原性,Ag@Au NPs具备热稳定性。HBPAA的聚阳离子特性和本身的金属原子配位不稳定形成的电子空穴,Ag@Au NPs表现出接触杀菌的特性,可与细菌定向结合。通过编织物的吸附作用和热处理将Ag@Au NPs固定于在支架中。HBPAA充当了保护NPs不被氧化的还原剂和共价连接NPs与聚乙醇酸(Polyglycolic acid,PGA)和聚乙交酯-丙交酯(poly(lactic-co-glycolic acid),PGLA)的桥梁。Ag@Au NPs-FMBUS对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌显示出快速而有效的杀菌效果。在PGA/PGLA的水解作用下,支架在模拟降解环境中显示出不断变化的表面。由于Ag@Au NPs在支架横截面上的均匀分布,在降解的每个时间点,支架的抑制率保持在90%以上。此外,由于Ag@Au NPs和PGA/PGLA之间通过酰胺键共价连接,在降解16天后,只有6.7 wt%的Ag和Au元素(约8μg)从支架中释放出来,避免了潜在的细胞毒性。在泌尿系统感染模型中,植入第4和第7天后,由于可降解支架表面不稳定,不利于细菌黏附。可以观察到可降解支架表面的细菌黏附量显著少于聚氨酯支架。表明应对尿液中高浓度的细菌,FMBUS可通过降解行为形成不稳定的动态表面干扰生物膜的形成。负载纳米粒子后,细菌出现明显的结构破裂,黏附量也显著降低,表现出对生物膜的抑制作用。且支架表面的细菌数量出现先增加后减少的趋势,证明Ag@Au NP-FMBUS在此降解的基础上兼具杀菌效果,实现“触杀-降解”协同的抗生物膜机制。综上所述,本论文针对输尿管支架植入后生物膜和结壳引起的泌尿感染问题,从生物膜形成的三个关键因素(病原体、生物材料和生物膜与材料的相互作用)入手,构建了“缓释型”、“防黏附-触杀型”和“触杀-降解型”三种纺织基输尿管支架,构建了输尿管支架术中载药系统和动态防生物膜的可降解输尿管支架,为其他植入类生物材料、药物递送载体和生物传感器等医疗器械的抗生物膜策略提供一定的参考。