导尿管抑菌涂层的研究进展

林承雄，黄正宇,，王耀程,，张锦，黄德群，徐志彪

（1.广东省科学院生物与医学工程研究所 国家医疗保健器具工程技术研究中心，广州 510316；2. 五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

导尿管是一种由尿道插入膀胱以便引流尿液的管道。目前，应用最广泛的Foley 导尿管于20 世纪30 年代发明，Foley 导尿管通常由乳胶或硅胶组成，其基本结构为一根通过尿道插入膀胱的柔性管[1]。2011 年，我国导尿管的需求量为10 240 万支，2017 年我国导尿管的需求量增长至26 640 万支，增长幅度较大[2]。尽管导尿管给患者提供了大量的便利，但导尿管带来的感染、阻塞等并发症也困扰着患者，由导尿管引发的尿路感染（Catheter-associated urinary tract infection，CAUTI）是医院常见的感染[3-6]。统计表明，英国每年使用导尿管大约花费100～250 万英镑，同时导致2 100 人死亡[7]；美国每年有超过13 000 例的死亡与导尿管引发的尿路感染有关，每年花费约1.13亿美元[8-9]；我国每年由导尿管引发的泌尿系统感染发生率在各种院内感染中的占比高达20%～30%，仅次于呼吸道感染[10]，极大地影响了病人的生命质量和健康。

泌尿系统感染（CAUTI）的判定标准为细菌尿或真菌尿中菌落总数大于104CFU/mL[11]。由于导尿管自身材质的原因，在插入过程中导管–尿道界面间的摩擦会使患者感到痛苦，常引发尿道炎性反应和膀胱黏膜水肿，甚至造成患者尿道黏膜损伤，从而诱发尿道感染[12]。另一方面，病原体的入侵和定植也是感染CAUTI 的重要原因[13]，导尿管的插入使得微生物绕过了在尿道定植的固有障碍，如上皮细胞的定期脱落、自有的黏膜免疫功能及定期的排尿冲洗行为[14]，使得尿道面临直接接触病原体的风险。导尿管为细菌提供了易于定植的非生物表面，促进了从膀胱往外的缓慢持续的尿液流动，在膀胱与外部环境之间提供了一个有效的“桥梁”[15]，使得细菌进一步地在导尿管表面定植，并产出脲酶，将尿液中的尿素催化分解为氨及二氧化碳，提升了尿液的pH 值，进而利于钙、镁等离子的沉积，最终导致导尿管堵塞[16-18]。

目前，基于导尿管表面生物膜和表面结晶的形成过程，研究人员提出了多种方法来预防CAUTI，以实现导尿管的抗菌、抗堵塞功能，如涂敷导尿管涂层、改进导尿管的结构设计、缩短临床使用时间等[19]。文中主要从物理方法和化学方法等方面来论述目前已有的解决策略。其中，物理方法包括导尿管表面改性、抑制细菌的初始附着、导尿管表面的润滑改性，其主要代表为防污涂层。防污涂层并不直接杀死微生物，而是阻止细菌附着在导尿管表面，从而抑制其生物膜的形成[20-22]。化学方法指将各种抗菌材料（包括官能团、聚合物、抗生素、噬菌体、抗菌肽、抑制剂等）直接作用于导尿管表面，并杀死细菌，以实现抑菌功能。目前，临床测试的生物抗菌材料以抗生素为主，其他药物（如抗菌肽、噬菌体等）大多处于研究阶段。此外，通过总结现有抗菌方案的优点及存在的问题，文中还对抗菌、抗阻塞导尿管的前景和发展方向进行了预测，以期更好地预防和控制CAUTI。

1 以物理方法为主的抗菌涂层

细菌是引起CAUTI 的最常见的病原体。一旦细菌附着在导尿管表面，并在适当的环境下增殖，生物膜就会成为病原体的储存库，保护细菌，以致细菌很难被抗生素杀死，或被免疫系统清除[23]。由此可见，针对尿路感染的最有效方法是防止导尿管表面的细菌黏附，进而抑制细菌膜的生成。目前，通常采用将聚乙二醇、聚两性离子、抑菌酶等沉积在导管表面，或在导管表面进行仿生微纳结构修饰等方法。

1.1 聚乙二醇涂层

聚乙二醇（PRG）具有生物相容性、非免疫原性、非抗原性和蛋白排斥特性，研究表明，PEG 聚合物涂层能够阻挡细菌与底物相互作用的远距离吸引力，并引入斥力空间效应，进而改变导管的表面亲水性和摩擦性能，使其具备较好的润滑性能[24]。Zhang 等[25]开发了一种复合涂层，并用于防治导管细菌感染，该涂层以聚乙二醇为上层防污涂层，在正常和轻度感染情况下，该涂层表现出良好的防污性，针对蛋白质和细菌具有良好的生物相容性。Voo 等[26]研究了不同长度的防污聚乙二醇（PEG）和马来酰亚胺功能化聚碳酸酯的二嵌段共聚物涂层，结果表明，大分子质量（10 ku）的PEG 涂层比小分子质量（2.4 ku）的涂层具有更强的防污活性，使金黄色葡萄球菌和大肠杆菌生物膜的形成时间延迟14 d。Ekblad 等[27]在玻璃或硅橡胶表面制备了一层薄的PEGMA 共聚物水凝胶层，结果表明，该水凝胶涂层具有优异的防污性能，可以将动物孢子的沉降密度降低到5%以下。Wan 等[28]设计了一种PEG 功能化的透明质酸涂层，结果表明，它为导管表面提供了良好的润滑性能和优越的保水性能，有助于防止血管内表面层的磨损。Yang 等[29]通过将PEG 作为一种抗氟剂与含有多巴胺的聚碳酸酯刷子和抗菌阳离子结合在一起，结果表明，PEG 抗菌涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有良好的防污和抗菌性能。Gao 等[30]通过合成具有单链抗菌和防污段的双嵌段两亲性分子，开发出一种抗菌和抗生物膜表面涂层，结果表明，该PEG 复合涂层极大地降低了蛋白质吸附和血小板黏附，说明涂层具有优良的防污能力。总之，通过不同方法改性聚乙二醇涂层具有良好的防污和抗菌效果，具有广阔的应用前景。

1.2 聚两性离子涂层

两性聚合物指一种特定的大分子，其中重复单元由相同数量的阳离子和阴离子基团组成，这些基团可以在广泛的pH 值范围内完全解离，从而保持整体的电中性。与PEG 类似，两性离子聚合物的防污机制主要在于它们吸收水并形成紧密的水化层，从而抑制蛋白质沉积在导管表面。此外，由于两性聚合物的电荷基团密度较高，因此聚两性离子比PEG 结合水的能力更强。PEG 的防污性能在氧和过渡金属存在的情况下易受到氧化损伤[31]，两性离子材料被认为是下一代防污材料中较有潜力的候选材料[32]。

含磷酰胆碱基团的聚合物是常见的聚两性离子聚合物。Hayward 等[33]发现，带负电荷的磷脂会引起血栓，而含磷酰胆碱的表面不会引起血栓，该研究引起了人们对两性电子材料的抗污和生物相容性的兴趣。在此基础上，Ueda 等[34]研究了MPC 与甲基丙烯酸丁酯（C4，MPC-co-BMA）共聚物，Bird 等[35]研究了MPC 与甲基丙烯酸正十二烷基共聚物（C12，MPC-co-DMA）。结果表明，这2 种聚合物都具有良好的防污性能。Chang 等[36]对含两性离子聚磺基甜菜碱的热响应性聚（n-异丙基丙烯酰胺）共聚物进行了研究，结果表明，与聚苯乙烯培养板相比，该共聚物可显著减少革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的沉积。甲基丙烯酸磺甜菜碱（SBMA）作为另一种常见的两性聚合物，也常用于导尿管涂层中。2014 年，Blanco 等[37]发现具有两性离子基团的功能化导管具备对铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌的生物膜抗性，该涂层复合了甲基丙烯酸磺甜菜碱（SBMA）。Cheng 等[38]采用静电吸附的制备原理，利用阳离子层的聚咪唑盐和阴离子层的透明质酸，采用层层自组装法构筑抗菌涂层，结果表明，该涂层对表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌大肠杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的抗菌率均超过 90%。如果这些涂层在尿液中的浸泡时间过长，则其水化层可能会被破坏，蛋白质会继续附着在导管表面。当前的研究集中于超亲水两性离子涂层的设计，使其水化层的稳定可维持1 个多月，以更好地满足目前留置型导尿管长期使用的需求。如Yeh 等[39]研究开发了一种稳定的超亲水两性离子界面，以抵抗细菌、蛋白质和脂类的非特异性吸附。结果表明，该涂层即使在环境中存储30 d，仍具有良好的生物惰性。

1.3 表面形貌修饰

以仿生为主的表面微纳结构修饰可有效地改善材料的表面性能，减少细菌的黏附，进而更好地满足对器械的性能需求[40]。此方法通过改变现有材料的物理化学性质，如组成、电荷、疏水性、粗糙度和孔隙率等，减少了接触时微生物的黏附。Feng 等[41]使用阳极氧化技术制造具有纳米尺度特征的表面，其几何形状和尺寸可控，孔径为15、25 nm 的纳米多孔阳极氧化铝（AAO）表面显著减少了大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和表皮葡萄球菌的附着，而孔直径为50 nm 的表面（或更大的）与小孔径表面和纳米光滑表面相比，表现出细菌附着增加。Hasan 等[42]研究发现一种与纳米柱有关的机械杀菌机制，纳米柱的形貌类似于钉子床，细菌附着在上面会造成生物膜的破坏，从而将细菌消灭。其中，一些纳米柱结构的灵感来自于大自然。Ivanova 等[43]通过观察蝉翅膀的表面，发现其表面被纳米柱附着，该表面对铜绿假单胞菌具有良好的杀灭作用。Dickson 等[44]成功地将蝉翅表面的纳米结构仿生复制在聚（甲基丙烯酸甲酯）薄膜（PMMA）上，通过将大肠杆菌种植于具备纳米结构的PMMA 上发现，表面细菌的黏附密度得到显著降低，死亡率与对照组相比提高了16%～141%。此外，直径较小、间距较窄的纳米柱在杀死细菌方面的表现更好。Carman等[45]受到海底鲨鱼皮表面特殊微纳结构的启发，将该结构应用于导管表面，结果表明，该涂层具备较好的抑制细菌生物膜生成的能力。Watson 等[46]开发了一种超疏水和生物相容的微/纳米结构壁虎皮肤状表面，结果表明，该微纳结构具有疏水性、自洁性、抗菌性及低黏附性等。Mann 等[47]证明鲨鱼微图案表面可以抑制致病性大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的定植及形成生物膜的能力，在体外测试中具有优异的抗菌性能，但目前缺乏在体实验数据的支撑。由于导尿管易诱发炎症反应，导致尿路上皮细胞脱落，并释放血清蛋白，这也可能对表面形貌修饰的有效性造成影响。

1.4 抗菌酶

抗菌酶作为抗菌涂层的活性成分，在导尿管上的应用较多。作为对抗致病性微生物的生物体免疫系统的主要组成，抗菌酶的作用机制：通过降解微生物的结构成分（水解酶）、诱导生物体中产生抗菌物质（氧化酶）、切断细菌之间的群体感知（淬灭酶）等方式，达到阻止细胞的聚集和毒性化合物的产生等目的。

酰基转移酶是一种使群体感应猝灭，抑制生物膜的形成，且不会对细菌产生杀灭作用的酶，它产生细菌耐药性的可能性很小。Zhu 等[48]用α-淀粉酶与酰化酶联合使用对群体淬灭进行了测试，结果表明，这种包膜能够使铜绿假单胞菌生物膜减少40%以上，金黄色葡萄球菌生物膜减少30%以上，共培养生物膜减少50%以上。Ivanova 等[49]证实酰化酶单独对导管细菌生物膜的群体淬灭作用使得导管的服役时间延长了1 倍。

纤维素脱氢酶（CDH）是一种氧化酶，可以利用各种低聚糖作为电子供体产生过氧化氢，进而产生抗菌作用。Liporsky 等[50]的研究表明，利用超声波将CDH 纳米颗粒层附着在硅树脂表面，对金黄色葡萄球菌进行了测试，附着的CDH 能够在2 h 内产生18 μmol/L 的过氧化氢，显著减少了活金黄色葡萄球菌的数量，以及细菌对表面的黏附。Tan 等[51]的研究发现，将纤维二糖脱氢酶（CDH）和脱氧核糖核酸酶（Dnase）固定在带正电荷的壳聚糖纳米粒子（CSNPs）上，得到了一种双功能的靶向生物膜基质和微生物的纳米粒子（CSNP-DNase-CDH），结果表明，该纳米粒子对白色念珠菌和金黄色葡萄球菌的生物膜具备显著抗菌活性。

胰凝乳蛋白酶α-CT 是一种丝氨酸内肽酶，主要通过水解碳碳键来切断肽链，以实现抗菌功能。除蛋白质外，该酶还会水解多肽、酯、酰胺和芳基酰胺等[52]。根据α-CT 的性质，Catto 等[53]通过将α-CT共价固定在低密度聚乙烯（LDPE）片上，与含大肠杆菌MG1655 的LB 培养基在CDC 生物膜反应器中共培养，结果表明，LDPE-α-CT 显著减少了贴壁细胞的数量，降低了大肠杆菌生物膜的厚度。

此外，胞外多糖作为细菌生物膜的重要组成部分，糖苷水解酶（Ghs）可靶向水解生物膜基质中由胞外多糖组成的糖苷键，从而抑制生物膜的形成。Baker 等[54]在铜绿假单胞菌和其他临床菌株生物膜形成后加入不同浓度的Ghs，结果表明，Ghs 可显著防止或破坏生物膜的形成。Asker 等[55]通过将细胞膜中性外多糖Psl 的特定水解酶Ghs 共价设计在防污涂层中，实验结果发现，Psl-Ghs 结构的存在可显著减少相关细菌的数量。雷文茜等[56]通过将Ghs 装载在动态多孔海绵结构多层膜中，结果表明，该方法可以有效延长抗菌时间，提高表层对革兰氏阴性菌的杀灭能力。

2 以化学方法为主的抗菌涂层

以化学方法为主制备的抗菌涂层可通过将杀菌剂释放到环境中杀灭细菌，从而抑制生物膜的形成，延缓导管堵塞时间。这里主要介绍了目前导管抗菌涂层常用的化学抗菌方法，主要代表有抗生素、金属离子、抗菌肽、噬菌体、分子泵抑制剂、一氧化氮等，这些方法可通过化学手段解决当前存在的一些问题。

2.1 抗生素

自抗生素被发现以来，在较多研究中它一直是治疗细菌感染的首选。许多抗生素被证明对大多数革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌有很好的杀菌效果，其中包括呋喃西林、庆大霉素、诺氟沙星、环丙沙星、三氯生、氯己定等。

呋喃西林（Furacilin）的抗菌原理在于能抑制DNA 的复制，从而抑制其生长和生物膜的形成[48]。Johnson 等[57]通过使用硝基呋喃酮浸渍导管对大肠杆菌、克雷伯氏菌、柠檬酸杆菌、金黄色葡萄球菌、凝固酶阴性葡萄球菌和粪肠球菌进行抗菌测试，结果表明，硝基呋喃酮浸渍导管可抑制除万古霉素耐药菌株外所有菌株的活性，且抑制时间最长可达5 d，其抑菌效果优于常规含银水凝胶涂层。Lam 等[58]对置管时间小于1 周的患者使用硝基呋喃酮浸导管和无涂层导管，临床结果表明，硝基呋喃酮组的菌尿发生率较低。Pickard 等[59]研究指出，呋喃西林涂层导管在短期插管时存在舒适性较差的问题。Hiraku 等[60]研究表明，呋喃西林的使用会使动物患乳腺和卵巢肿瘤的概率增大。由于此类致癌风险的存在，因此呋喃西林被美国食品及药物管理局列为第1 类禁止食用动物药物，这也导致该领域的研究进程放缓。

庆大霉素（Gentamicin）作为一种广谱氨基糖苷类抗生素（链球菌和厌氧细菌除外），主要通过与细菌30S 核糖体亚基相结合来抑制蛋白质的合成，以实现抗菌功能[61]。Gaonker 等[62]使用庆大霉素涂层导管在兔CAUTI 模型中进行了测试，结果表明，该导管成功地降低了短期导管感染的发生率和严重程度。Rafienia 等[63]的实验证明，在庆大霉素中混入一定量的PEG，可将庆大霉素的控制释放时间延长至12 d，这意味着庆大霉素的释放可以通过改变PEG 的含量和初始庆大霉素的浓度来控制。Fernández-Hidalgo等[64]通过实验评价了多种抗生素治疗实验性金黄色葡萄球菌导管相关性感染的有效性，结果表明，庆大霉素对MSSA 和MRSA 生物膜均有较高的抑制活性。

诺氟沙星（Norfloxacin）常用来覆盖导管材料。Park 等[65]将诺氟沙星涂于大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、寻常性肺炎克雷伯菌和铜绿假单胞菌的抑制区进行实验，结果表明，诺氟沙星涂层的存在使得细菌的数量显著减少。此外，诺氟沙星与其他抗生素联合使用对生物膜的抑制效果也较好。Saini 等[66]发现将诺氟沙星与环丙沙星和阿奇霉素联合使用，并将其在4 周时间内持续释放，结果表明，联合药物能显著抑制微生物的生长，并使导管的堵塞时间延迟了 4 周。Vollaard 等[67]通过收集34 名患者的临床实验数据，结果表明，诺氟沙星对革兰氏阴性杆菌的预防效果非常好，大幅降低了菌尿的发生率。

环丙沙星（ciprofloxacin）为人工合成的第3 代喹诺酮类抗菌药物，具有广谱抗菌活性，对于肺炎克雷伯菌、阴沟肠杆菌、变形杆菌和铜绿假单胞菌有较好的杀菌效果[68]。与第1 代的石蜡油涂层导尿管相比,新一代的缓释环丙沙星润滑涂层导尿管的插管舒适度得到明显改善, CAUTI 的发生率大幅降低[69]。Pugach 等[70]在家兔体内模型中进行实验，将环丙沙星脂质体浸渍的水凝胶泡沫导管与未涂覆的水凝胶导管进行比较，通过在尿液中培养发现，因尿液导致感染的时间从无任何处理导管的3.5 d 推迟到环丙沙星修饰导管的5.3 d。

三氯生（Triclosan）是一种对脂肪酸合成的酶促活性起抑制作用的分子。奇异变形杆菌对三氯生有极强的敏感性，在单独接种奇异变形杆菌的体外膀胱模型中，三氯生已被证明在控制结晶生物膜的形成和导管堵塞等方面有效，与对照组相比，使用三氯生处理后导管能够在7 d 内不出现堵塞现象，显示出三氯生优异的抗菌、抗堵塞性能[71]。三氯生能够轻松地通过硅酮导管材料扩散到周围的尿液中，并有效控制结晶生物膜的形成[72]。Cadieux 等[73]在体内测试了三氯生洗脱导管在兔尿路感染模型中的有效性，结果表明，与未洗脱的对照组相比，三氯生洗脱导管显著降低了CAUTI 的发生率。此外，Lange 等[74]证明三氯生洗脱导管可以有效地阻止尿路致病菌（如大肠杆菌、肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌）的黏附，并使导管堵塞的时间延迟了1 倍。另一方面，长时间使用三氯生容易导致菌株产生耐药性，此现象已经在三氯生抗药性的实验研究中得到证实[75]。Westfall 等[76]的研究表明，三氯生在体外和体内实验中均能促进细菌的抗生素耐受性，其中具有高水平三氯生抗性的突变体的耐药菌不受三氯生溶液抑制其结晶生物膜的影响。

氯己定（Chlorhexidine）作为一种阳离子双胍类化合物，其作用方式主要为破坏细胞质膜。因为氯己定带正电荷，与带负电荷的细菌细胞表面有亲和力，对细菌和真菌都有一定的抑制作用，但对哺乳动物的毒性相对较低，因此常用于清洗导尿管和保持无菌条件。目前，较多实验研究已证实氯己定具有抑制细菌黏附及杀菌的效果。Srisang 等[77]通过将氯己定包埋在纳米颗粒中，并采用喷雾方式黏附在导管表面，结果显示，氯己定的持续释放可显著降低泌尿系统病原体，在14 d 内导管未出现堵塞的现象。Yang 等[78]研究了氯己定改性多孔钛的抗菌性能，结果表明，氯己定接枝的多孔钛表面具有良好的抗菌性能，能较好地抑制细菌的黏附。Aubert–Viard 等[79]设计了一种可释放氯己定的创面敷料，结果同样表明，它能有效杀灭周围细菌，抑制细菌的黏附。Shiels 等[80]通过在骨科植入物表层浸覆氯己定涂层，结果表明，无污染的氯己定涂层种植体可减少骨内和种植体上的整体细菌定植，减少骨溶解，增加放射线愈合，减少高风险感染伤口的并发症。

综上所述，抗生素涂层导管的抗菌效果良好，具有较大的市场潜力。由于细菌对抗生素易产生耐药性，在导管上形成更加难以清除的生物膜，因而抗生素的临床使用受到限制。Belfield 等[81]的研究发现，他们所使用的3 种药物联合浸渍导管在长达12 周内保持抗菌活性，并且该方法是首个对产碳青霉烯酶（NDM-1）大肠杆菌具有12 周保护活性的抗菌导管技术。考虑到细菌类群的不同、抗生素的最低抑菌浓度的不同，且引起CAUTIs 的微生物物种具有多样性，采用多抗生素联合抗菌方式，以降低微生物的耐药性具有较大的发展潜力。

2.2 噬菌体

相较于其他抗菌剂，噬菌体具有的优势：控制生物膜的潜力，可针对特定的病原体进行特异性修饰；在宿主细胞中存在时会进行自我复制，并在宿主细胞消失时被机体消灭；可有效对抗多药耐药菌，并且可以将多个噬菌体结合，以扩大治疗的有效范围。Curtin等[82]最早使用噬菌体对CAUTI 病原体进行研究，使用了水凝胶包覆的导管，该导管采用凝血阴性噬菌体（裂解的表皮葡萄球菌噬菌体456）预处理，噬菌体可以防止表皮葡萄球菌生物膜的形成。与未经处理的导管相比，处理后导管的生物膜显著减少。最近的研究证明，噬菌体可以减少导管上奇异变形杆菌生物膜的形成，普通导管在使用40 h 后通常就会发生堵塞，而带有噬菌体的导管在使用180 h 后才开始发生堵塞，证明了噬菌体对导管抗堵塞的作用[83]。通过体外膀胱模型模拟奇异变形杆菌的感染，结果表明，单剂量噬菌体显著延长了阻断时间，可根除早期感染，导管可在不包壳的情况下自由排水8 d，直到实验结束。在更为复杂的奇异变形杆菌和铜绿假单胞菌双生物膜感染实验中，通过使用共价噬菌体，在48 h 内使铜绿假单胞菌减少了99.9%。Lehman 等[84]研究发现，经噬菌体鸡尾酒疗法预处理的硅酮水凝胶涂层导管被观察到具有抗菌活性。水凝胶包覆导管的前处理是将导管浸泡在铜绿假单胞菌和奇异变形杆菌的噬菌体中孵育1 h。该涂层在72～96 h 内减少了2 种CAUTI病原体生物膜的形成。Carson 等[85]与Liao 等[86]也对鸡尾酒形式的噬菌体抗菌进行了研究，以防止噬菌体耐药性的发展。

进一步的研究表明，噬菌体具有制备因尿液中pH 升高而触发其释放的抗菌涂层的潜力。噬菌体可自动释放到尿路中，以对抗感染早期阶段结晶生物膜的形成。该导管涂层采用双层系统，底部是含有噬菌体的水凝胶“储存层”，顶部是pH 响应聚合物聚甲基丙烯酸甲酯的“触发”层。经过实验评估，在确定感染条件下（108CFU/mL），使用噬菌体可使导管堵塞时间延迟1 倍（13～26 h）[87]。鉴于细菌抗生素耐药性水平的提高，以及越来越多的证据表明噬菌体在治疗细菌感染方面的有效性，噬菌体治疗产品的开发仍具有挑战性。主要挑战在于噬菌体的宿主范围很窄，难以应对复杂环境下多种细菌联合作用形成的生物膜，以及如何用药、与噬菌体相关产品的生产缺乏明确的规定[88]。

2.3 外排泵抑制剂

外排系统在细菌生物膜形成的过程中作用较大，通过细菌细胞膜上的外排泵（Efflux pumps，EPs）将进入胞内的抗菌药物泵出胞外，从而使菌体内药物的浓度降低，导致出现耐药现象。在革兰阴性菌（如肠杆菌科、不动杆菌属和假单胞菌属）中，通过细菌细胞膜上的外排泵将抗生素排出细胞是比较常见的方式[89]。Amaral 等[90]研究了吩噻嗪治愈广泛耐药结核分枝杆菌（XDR）和多药结核分枝杆菌（MDR）结核病感染的潜力，吩噻嗪主要作用于原核生物和真核生物的质膜。通过影响细菌细胞膜上的外排泵以达到抑菌效果，临床实验证明治愈了10 名出现XDR 结核病感染的患者。Kvist 等[91]的研究发现，外排泵在细菌生物膜中高度活跃，而细菌依靠外排泵来清除有毒物质。通过外排泵抑制剂的使用能够使细菌外排泵失活，减少生物膜的形成，外排泵抑制剂（EPIs）还能阻断生物膜的抗生素耐受性。Nzakizwanayo 等[92]评价了已经用于人类医学的药物（氟西汀和硫嘧啶）作为奇异变形杆菌的外排泵抑制剂，实验显示，这2 种药物具有抑制结晶生物膜形成的潜力，在早期及导管表面生物膜形成时使用均能延迟导管堵塞的时间（2～3 倍）。Holling 等[93]的研究强调了外排系统在细菌生物膜形成中的作用，并提供了奇异变形杆菌结晶生物膜形成的新见解，包括生物膜的形成与该生物体的抗生素耐药性之间的联系，并表明外排泵抑制剂在奇异变形杆菌结晶生物膜的治疗或预防中能够起到积极影响。

2.4 一氧化氮

一氧化氮（NO）的抗菌机制包括胺和硫醇的亚硝化、脂质过氧化、酪氨酸硝化和DNA 裂解[94]。虽然NO 作为一般抗菌药物在医疗器械中被广泛研究，但很少对NO 或NO 供体浸渍泌尿管进行研究。Regev-Shoshani 等[95]发现，硝基呋喃涂层导管与一氧化氮浸渍导管具有相似的抗菌效果，与空白对照导管相比，一氧化氮浸渍导管具有更优异的抗菌作用。Colletta 等[96]通过将合成的NO 供体SNAP（S-nitroso-N-acetyl-d-penicillamine）以溶剂膨胀法浸入导管中，SNAP 作为一种合成的NO 供体，当与低吸水聚合物结合时，表现出长期的NO 释放性和稳定性，实验结果表明，生物膜的形成速率显著降低，在生物膜成熟的各个阶段，SNAP 掺杂的导管能够显著降低细菌的生存能力。Ren 等[97]采用一种新型精密控制的电化学释放NO 导管装置，研究了NO 生理水平对成熟铜绿假单胞菌生物膜（7 d）根治效果的影响，以及NO 与抗菌药物联合应用的潜力。结果表明，NO 在生理水平上具有杀灭细菌和分散周围生物膜的混合作用。NO 不仅可在一定程度上清除细菌生物膜，而且能够提高一些抗生素的抗菌功效。总而言之，一氧化氮在生理上是可用的，在定量范围内不会对人体健康造成威胁。过往的研究证实，为了进一步研究NO在体内的控制释放机制，重点可放在NO 供体的研究上，以避免无供体扩散到生理环境中。

2.5 抗菌肽

抗菌肽（Antimicrobial peptide，AMPS）是一种对细菌、真菌、病毒都具有抗菌活性的短链氨基酸，是先天免疫反应的一部分，可以起到免疫调节剂的作用。抗菌肽可以通过破坏细胞膜或作用于多个阴离子靶点来杀死细菌，但是抗菌肽具有潜在毒性，还存在pH 敏感性和合成的成本高等问题[98]。

较多学者对抗菌肽在基材表面的抗菌效果进行了研究，Mishra 等[99]采用巯基偶联剂将抗菌肽Lasio-Ⅲ固定在硅胶导尿管上，在人工模拟的膀胱实验中证实了其抗菌活性，它对革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌均能维持抗菌活性长达4 d。Lim 等[100]的研究证实，利用聚多巴胺（Polydopamine）将AMP、CWR11 交联到聚二甲基硅氧烷（PDMS）膜的表面，该涂层使抗生物膜活性的保持时间为21 d。Zhang 等[101]通过表面引发原子转移自由基聚合（SI-ATRP）在聚氨酯（PU）上构建具有分层结构的类“聚合物刷”涂层，制备了表面功能化的聚氨酯（PU-DMH）。PU-DMH表面对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌均具有良好的杀菌性能，并能防止细菌碎片在表面的堆积。同时，PU-DMH 样品具有良好的血液相容性和低的细胞毒性。此外，在体内和体外的实验都验证了其良好的抗感染性能。Yu 等[102]报道了一种有效的表面抗菌策略，通过将抗粘连亲水性聚合物涂层用于导管制造常见生物医用塑料聚氨酯（PU）上，以制备AMP 涂层。抗菌肽涂层在PU 导管表面表现出广谱抗菌活性，并在体外显示出长期活性。表面涂层对革兰氏阳性菌和阴性菌黏附的抑制率高达99.9%，对浮游细菌生长的抑制率高达70%。

AMPs 抗菌机制的多功能性使其成为尿导管涂层的可候选材料。还可以看到，这些抗菌剂可以很容易附着在常规使用的医疗设备聚合物（如PDMS 和其他类型的导管用硅胶）的表面，因此，将抗菌肽涂层作为一种有效的导尿管抗菌手段具有广阔的研究前景。

3 未来抗菌方向

针对化学抗菌方法普遍会引起的细菌耐药性问题，大量的研究表明，多机制联合抑制病原体的抗菌涂层在未来具备较大的发展潜力[103-104]。多机制的抗菌方法可在一定程度上降低病原体的耐药能力，具备更为完整的抗菌活性，例如阳离子型杀菌剂、外排泵抑制型杀菌剂及酶水解等的联合作用。另一方面，目前的药物释放方法主要采取被动释放，在植入体内药物保持持续释放状态，不仅容易造成药物浪费，且对人体会造成附加伤害，而且无法根据感染的程度智能释放药物的量，因此研究主动释放也是未来的一个趋势。例如，在脲酶水解使得pH 逐步升高时，药物的释放较慢，且以柠檬酸钠为主，降低pH 值，抑制其结晶，当pH 的升高速度较快时，药物的释放速度也随之增加。针对上述抗菌思路，目前一些学者从不同方面或领域进行了研究及佐证。Wang 等[105]通过将聚二甲基硅氧烷微球负载到聚乙烯醇中，使得复合水凝胶具有较高的平衡含水率和溶胀率，并具有较好的保水性和力学性能，在伤口愈合中作为敷料具有广阔的应用前景。Sun 等[106]通过将聚乳酸微球装载药物混入水凝胶中来治疗皮肤感染，结果表明，该材料能够长时间持续地释放药物，具备良好的给药效果。虽然目前较少将这种载微球水凝胶方法应用于导尿管方面，但可以通过这种途径实现多机制药物的联合抗菌，这是一种很有前途的抗菌方法。Chen 等[107]采用乳液-溶剂蒸发法制备了含醋酸氯己定（CHA）与纤维细胞生长因子（bFGF）的聚乙二醇壳聚糖（GC）核壳微球，实验结果表明，PLGA-GC 微球具有有序释放药物的能力，并且具有良好的抗菌效果。Phuengkham 等[108]制备了包覆氯己定（CHX）的纳米微球，研究了氯己定从尿管中持续释放的新方法，体外膀胱模拟的结果表明，适当剂量的CHX 在几周内以持续的方式释放。此外，CHX 纳米微球对引起UTIs的常见细菌具有长达15 d 的抑菌活性。另外，Milo等[109]研制了一种pH 响应型水凝胶涂层，当pH 值上升到一定程度后其外层水凝胶降解，通过释放有色染料来提醒患者，从而实现导管堵塞的早期预警。此外，顶部水凝胶的降解，其底部含噬菌体的水凝胶可释放噬菌体，用于消灭细菌，该方法成功地将导管堵塞时间延迟了1 倍[87]。通过这种抗菌原理，能够将药物的被动释放变为主动释放，但仍存在pH 的响应性不可逆，一旦药物释放就自动进入被动释放阶段的弊端，因此主动型智能释放是未来的重要研究方向。

总的来说，为了更好地预防及控制与导尿管相关的尿路感染，减少抗生素涂层导尿管引起的耐药性和副作用，延长药物释放的周期，未来导尿管的设计、功能、机制等可从如下几方面考虑：采用多抑菌机制的多药物联合抗菌，如抗生素与分子泵抑制剂联合，及抗生素与抑菌酶联合等，可以减轻细菌的耐药性，延长留置导尿管的有效使用时间；结合细菌在导尿管定植过程中pH、温度、离子浓度等指标的变化情况，对从细菌感染到导尿管堵塞过程的上述重要因子进行实时监控；将当前药物的持续被动释放转变为主动智能释放，节约药物用量，减轻药物对人的副作用，并延长药物的有效时间，如在脲酶分解pH 升高时主动释放药物，在pH 回归到正常生理水平时药物释放速率下降；体外培养与体内实验相结合，以检测其有效性。当前文献中导尿管堵塞时长的差异性验证均以体外膀胱模型为主，没有相关的动物实验支撑，因此为了更好地服务于临床需求，活体动物验证也是必需的过程。

4 结语

导尿管相关尿路感染是全球第二大常见的医院感染，国内外每年在预防和治疗上都花费巨大，因此预防及抑制导尿管表面生物膜和结晶的形成尤为必要。相关结果表明，在无菌条件下对导尿管进行简单的抗菌剂浸渍不足以预防导尿管相关的尿路感染，因此，学者们研究了具有持续抗菌、协同抗菌效果的导尿管改性方法。文中主要从物理改性和化学改性等2个方面展开，包括物理层面的仿生防污涂层设计（表面微纳结构、抑菌酶、润滑性水凝胶等），以及化学层面的抗菌抗结晶涂层（阳离子型杀菌型、广谱抑菌型、分子泵抑制型、抗菌肽等），这些方法均对细菌的黏附、定植及增殖，以及生物膜的形成有较好的效果，有效地延长了导尿管在体内的留置时间。此外，在总结了当前抗菌效果的优缺点的基础上，针对目前研究中存在的耐药性及被动释放等问题，提出了一些未来的发展方向，包括多机制联合抑菌、pH 值及温度等敏感性控制释放等，最终获得良好的抗菌效果，实现可长时间留置的目标。同时，目前的研究大多处于实验室阶段，尽管文献报道了大量的方法，但很少有研究达到临床研究阶段，其抑菌稳定性、有效性、安全性等均需要进一步的优化，因此，未来的实验设计及方案需要更多的临床试验，以更好地服务于人类的健康生活。