近期，Chemical Engineering Journal发表了江南大学化学与材料工程学院合成与生物胶体教育部重点实验室绿色涂料与微电子材料研究室的研究成果“Copper ion-loaded surface charge-convertible coatings on implant: Antibacterial and tunable cell adhesion properties” （Li et al., Copper ion-loaded surface charge-convertible coatings on implant: Antibacterial and tunable cell adhesion properties [J]. Chem. Eng. J., 2023）。江南大学2021级硕士研究生李思源为论文第一作者，李小杰教授为论文通讯作者。

随着植入手术数量的增加，植入失败的发生率也相应增加，因此对社会和个体都造成了巨大的财务负担。植入物感染是导致植入失败的一个重要原因，它不仅会延缓患者的康复过程并且还会给患者带来额外的伤害。在当前的临床治疗中，主要通过术前消毒、灭菌和术后系统使用抗生素来预防植入物感染。然而，这些策略并不能有效的预防植入物感染。此外，滥用抗生素可能导致细菌产生抗生素耐药性，这是一个更加棘手的问题。

在植入物表面制备利用接触杀菌机制或抗生物污染机制的涂层是常用的两种用于杀灭或驱逐附着细菌以预防植入感染的无抗生素策略。然而仅通过使用接触杀菌涂层或抗生物污染涂层难以同时实现高效持久的抗菌性能和低细胞毒性。此外，接触杀菌涂层或抗生物污染涂层只能满足特定应用领域的要求。相反，抗生物污染涂层对于导管来说是一种非常有效的策略，然而抗生物污染涂层无法应用于骨科植入物，因为细胞不会附着在植入物表面，阻止了与周围组织长期牢固的结合，最终导致骨科植入物松动。因此，对于不同领域的植入物需要定制满足不同要求的抗菌涂层，这是一项繁重且复杂的工作。因此，开发一种能够为不同领域植入物提供高抗菌效能、低毒性和可调节生物功能的多功能涂层平台是一项意义深远且具有挑战性的任务。

为解决这一问题，本课题组首先合成了共聚物poly(carboxybetaine-tert-butyl ester methyl methacrylate-co-isooctyl acrylate-co-dopamine methyl methacrylate) (P(CB-tBu-co-EHA-co-DOPA-Aa)， PCED)。该共聚物具有侧链羧基甜菜碱-叔丁基酯基团（CB-tBu）结构，CB-tBu中的叔丁基酯基团可以与CB的羧酸根阴离子结合，使CB-tBu成为具有正电荷的季铵盐。而通过三氟乙酸（TFA）可以轻松去除叔丁基酯基团，得到CB。因此，通过制备侧链含有CB-tBu的共聚物涂层能够将其从带正电的接触杀菌涂层转变为电中性的抗生物污染涂层，仅通过简单的TFA处理即可实现生物黏附功能的调节以支持不同领域植入物的应用。此外，在可转换电荷的抗菌涂层中引入了低剂量的Cu²⁺，通过Cu²⁺杀菌和接触杀菌或抗生物污染机制的协同作用来提高抗菌性能，从而提供一个具有高抗菌效能、低毒性和可调节的生物功能的多功能涂层平台。

本研究首先通过傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱分析了正电荷涂层（Ti-CP@Cu²⁺）和电中性涂层（Ti-CP-ZW@Cu²⁺）表面的化学成分（图2）。聚合物结构变化示意图如图3所示。图4可以看出L929细胞和MC3T3-E1细胞在带正电的Ti-CP@Cu²⁺涂层上黏附较多，表明涂层能够促进细胞黏附增殖。通过酸处理后得到的电中性的Ti-CP-ZW@Cu²⁺涂层上黏附的细胞明显减少，这是因为脱保护后生成的羧基甜菜碱两性离子构建静电屏蔽层和水化层，有效抑制了细胞的黏附。通过活/死细菌染色实验（图5）的结果表明Ti-CP@Cu²⁺ 和 Ti-CP-ZW@Cu²⁺ 都具有良好的抗菌性能，其中Ti-CP@Cu²⁺的高效抗菌性能得益于季铵盐的接触杀菌机制和铜离子杀菌的协同作用；Ti-CP-ZW@Cu²⁺的高效抗菌性能得益于两性离子涂层的抗生物污染机制和铜离子杀菌的协同作用。与裸 Ti 相比，Ti-CP@Cu²⁺ 能够通过提供良好的生物界面来减少炎症反应并促进组织愈合（图6）。此外，Cu²⁺ 的添加可以促进血管生成以及血管成熟，并最终促进组织愈合。总的来说，实验结果表明PCED在骨科领域的应用具有较好的潜力。