摘要
鼻支架取出时的组织黏附易引发二次损伤，传统抗黏附涂层存在界面结合弱、稳定性差或生物相容性不足等问题。本文报道一种基于链缠结模型的生物相容性弹性体涂层，以基材表面接枝的聚合物环为 “分子锁”，经超声诱导与硅油浸渍的聚二甲基硅氧烷（PDMS）网络锚定。该涂层不含毒催化剂、含氟化合物及复杂交联体系，对日常液体、血液、黏液等生物流体及血痂均具优异抗黏附性，适用于金属、陶瓷、聚合物等多种基材，界面强度达 MPa 级，水滴滞留力低至≈0.3 μN。其在溶剂浸泡、超声、刮擦等苛刻条件下保持稳定，在兔鼻中隔止血模型中，有效抵抗血液黏附并加速黏膜伤口愈合，为下一代生物友好型植入器械涂层提供了理想平台。
一、研究背景
鼻支架是耳鼻喉科术后核心医疗器件，核心功能包括防止黏膜粘连、维持鼻腔气道通畅及辅助止血。目前临床常用的镍钛（NiTi）合金支架因可重复使用、机械稳定性强而广泛应用，但术后需在 48 小时内取出 —— 支架表面黏附的血液、血痂与黏膜紧密粘连，取出时易造成二次出血、黏膜撕裂，严重影响患者恢复体验。现有抗黏附涂层方案存在诸多难以克服的缺陷，功能水凝胶涂层虽能降低表面黏附性，但在开放鼻腔环境中，呼吸气流会加速水凝胶中水分蒸发，导致润滑效果随时间快速衰减，无法维持至支架取出时间点；低表面能涂层含氟化合物类涂层虽抗黏附性优异，但含氟成分在体内可能引发生物相容性风险；硅烷类涂层（包括线性聚合物刷、聚合物环、交联网络等）普遍存在抗黏附性与耐久性的权衡，要么抗黏附效果差，要么易脱落；聚电解质涂层通过层层组装制备，工艺复杂且对环境 pH 敏感，在鼻腔复杂生理环境中易失效；含润滑成分的交联聚合物涂层虽能兼顾抗黏附与稳定性，但多依赖非共价作用与基材结合，润滑液体溶胀时易进一步削弱界面结合力，难以满足植入器械的长期使用需求。因此，开发一种同时具备强界面结合力、优异抗黏附性、高环境稳定性及良好生物相容性的鼻支架涂层，成为临床转化亟需解决的关键技术难题。本研究针对这一痛点，提出 “分子锁” 锚定策略，通过共价锚定与超声诱导链缠结，实现抗黏附性能与界面稳定性的协同优化。
二、核心结果与讨论 2.1 涂层的设计与制备
涂层采用四步渐进式制备工艺，各步骤均经严格表征验证，确保结构可控：（1）基材表面改性，通过氧等离子体或碱处理（具体条件：氧等离子体处理 10 分钟），在基材表面引入大量羟基，为后续活化提供反应位点；（2）异氰酸酯活化，将基材浸入甲苯、三乙胺与异氰酸丙基三乙氧基硅烷（IPTS）的混合溶液（体积比 50:1:1），室温反应 12 小时后，120℃真空加热 30 分钟，成功在表面引入高活性异氰酸酯基团，X 射线光电子能谱（XPS）检测到 N 1s（≈399.5 eV）、C-O/C-N（≈286.2 eV）及 C=O（≈288.8 eV）特征峰；（3）“分子锁” 共价锚定，将活化后的基材浸入丙酮与双氨基封端 PDMS（NH₂-PDMS-NH₂）的混合溶液（质量比 1:1），40℃水浴反应 8 小时，通过胺 - 异氰酸酯亲核加成形成聚合物环（“分子锁”），原子力显微镜（AFM）显示，该步骤使玻璃基材表面粗糙度从 0.542±0.019 nm 降至 0.332±0.053 nm，纳米缺陷被有效覆盖，椭圆偏振仪测算 “分子锁” 接枝密度达 0.71 nm⁻²；（4）链缠结与后处理，引入未交联 PDMS 链与固化剂（硅烷基底与交联剂质量比 10:1），经全功率超声处理 30 分钟（促进 “分子锁” 与 PDMS 链拓扑缠结），80℃热固化 2 小时后，浸入 10 mPa・s 硅油中 30 分钟完成浸渍，最终形成 “分子锁 - PDMS 网络 - 硅油” 复合涂层。涂层结构与性能可精准调控：旋涂速度从 1500 rpm 增至 7500 rpm 时，涂层厚度从 94.0±1.1 μm 降至 23.8±0.6 μm，含 “分子锁” 的涂层比无 “分子锁” 版本厚 2-3 μm，硅油浸渍后因上下层溶胀差异（下层受 “分子锁” 约束溶胀更少）出现明显褶皱；浸涂提拉速度从 100 μm/s 增至 500 μm/s 时，镍钛合金基材上的涂层厚度从 123.2±1.1 μm 增至 192.1±1.1 μm；热重分析（TGA）显示，涂层 5% 失重温度超 240℃，具备优异的热稳定性，可耐受体内外复杂环境。
2.2 黏附性能与作用机制
“分子锁” 结构的核心优势在于通过链缠结强化界面结合，解决了传统涂层 “抗黏附” 与 “强结合” 的矛盾。将含 “分子锁” 与无 “分子锁” 的涂层分别浸入 PDMS 良溶剂正己烷中，无 “分子锁” 的涂层 10 秒内边缘即出现褶皱并逐渐蔓延脱落，而含 “分子锁” 的涂层无明显形变，仅表面轻微溶胀，证实链缠结能有效阻止聚合物链脱离基材。剪切强度测试显示，“分子锁” 分子量对黏附力影响显著 —— 分子量从 1000 g/mol 增至 5000 g/mol 时，剪切强度从 0.56±0.04 MPa 提升至 1.18±0.06 MPa；超声处理时间也显著影响界面结合，10-30 分钟内强度持续上升，30 分钟后达到稳定平台（1.15±0.05 MPa），表明充足的超声时间能促进链充分缠结；分子动力学模拟机制，构建含 13、40、60 个二甲基硅氧烷单元的 “分子锁” 模型（低、中、高分子量），与含 300 个单元的 PDMS 链进行 1V1 缠结模拟。结果显示，所有体系中 “分子锁” 与 PDMS 链均在缠结位点协同断裂（而非单一链或锚定位点断裂），原因是缠结位点的 Si-O 键能（≈452 kJ/mol）低于锚定位点 N-C 键能的两倍（≈390 kJ/mol×2）；低、中、高分子量 “分子锁” 的断裂力分别为 59.05 nN、61.13 nN、62.52 nN，差异较小，推测宏观剪切强度的显著提升源于长链 “分子锁” 空间位阻更小，可形成 “2V2” 甚至更复杂的缠结模式，延长外力作用下的断裂时间。
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涂层的抗黏附性与稳定性均表现出行业领先水平，且具备广泛适用性。测试 10、50、100、150、200 mPa・s 五种黏度硅油，发现接触角滞后（CAH）随黏度从 1.03° 增至 7.52°（高黏度硅油与水滴间剪切应力更大），但高黏度硅油挥发性更低、长期稳定性更好。考虑鼻支架通常仅植入 48 小时，选择 10 mPa・s 硅油以平衡抗黏附性与短期使用需求。修饰后各类基材的水滴滞留力均从数十至百余微牛骤降至 1 μN 以下 —— 镍钛合金从 156.1±7.9 μN 降至 0.3±0.1 μN，陶瓷从 153.0±6.0 μN 降至 0.4±0.1 μN，聚四氟乙烯从 39.7±3.8 μN 降至 0.2±0.05 μN。日常液体（水、牛奶、可乐）与生物流体（血液、黏液、唾液、眼泪）在涂层表面均能快速滚落，无任何残留；血痂测试中，新鲜兔血凝固 48 小时后，涂层表面的血痂经轻微气流即可完全脱落，而未涂层表面的血痂需机械刮擦才能去除；极端环境稳定性表明，200 次 3M 胶带剥离后，水接触角从 103.6° 轻微升至 108.8°，CAH 仍 < 5°；刀片刮擦后，硅油快速流动填补划痕，5 秒内完全自修复。24 小时超声处理、72 小时 120℃加热后，玻璃与镍钛合金基材上涂层的 CAH 无显著变化。模拟鼻腔液浸泡 25 天，涂层前进接触角稳定在 109° 左右，CAH 始终 < 5°，远优于传统线性链、环状链、交联网络及杂化涂层（超声 18 小时后 CAH 均超 10°，线性链涂层甚至达 20° 以上）。
2.4 体内应用验证
体内实验全面验证了涂层的生物安全性与临床适用性，结果显著优于未涂层支架。采用 CCK-8 法和活死染色测试，涂层提取物浓度为 12.5%、25%、50%、100% 时，与细胞共培养 24、48、72 小时后，细胞存活率均保持在 90% 以上；活死染色显示，涂层组与正常组细胞均呈绿色荧光，无明显红色死细胞，证实无细胞毒性；对比而言，无 “分子锁” 的涂层在支架释放时易从基材脱落，存在肺栓塞风险，而传统交联网络与杂化涂层因含毒成分，细胞存活率仅 60%-70%。选取新西兰白兔构建黏膜损伤模型，将涂层与未涂层支架对称植入同一兔的双侧鼻腔（控制变量），样本量每组 3 只，分别于 2、7、14 天观察。术后 48 小时取出时，未涂层支架引发兔子明显挣扎、打喷嚏，涂层支架取出过程平稳，无明显应激反应。术后 48 小时，涂层支架重量增加 19.6%（黏附物为少量鼻腔分泌物），未涂层支架增加 142.7%（黏附大量血痂、黏膜组织及渗出液）；14 天时，涂层支架重量仅为初始值的 1.5 倍，未涂层支架达初始值的 3 倍。组织学分析显示，术后 14 天，涂层组再生黏膜上皮结构完整，杯状细胞与纤毛柱状上皮细胞清晰可见，纤毛排列整齐；未涂层组出现上皮层缺失、固有层撕裂，SEM 下无可见纤毛结构。炎症与安全性表明，涂层组鼻腔灌洗液中 IL-6（150±20 pg/mL）、TNF-α（80±15 pg/mL）水平与正常组接近，未涂层组则分别升至 600±50 pg/mL、300±30 pg/mL；HE 染色显示，兔子心、肝、脾、肺、肾均无异常，证实无器官损伤；PAS 染色显示，涂层组黏膜黏液分泌量显著增加，形成有效黏液屏障，降低感染风险。
三、总结
本研究创新提出 “分子锁” 锚定策略，通过共价锚定与超声诱导链缠结，成功制备出兼具强界面结合力、优异抗黏附性、高环境稳定性与生物相容性的弹性体涂层。该涂层以 PDMS 为主体网络、硅油为润滑成分，通过基材表面接枝的聚合物环（“分子锁”）实现稳定锚定，不含任何有毒添加剂，解决了传统涂层 “抗黏附与界面结合不可兼得” 的核心痛点。
研究的核心优势体现在三方面：一是界面结合力达 MPa 级，能耐受溶剂浸泡、机械刮擦等苛刻条件；二是抗黏附谱广，对液体、血痂等均具有超低黏附力（≈0.3 μN），且具备快速自修复能力；三是生物相容性优异，在兔鼻腔模型中能有效减少二次黏膜损伤，加速伤口愈合，炎症反应轻微。
与传统涂层相比，该策略的创新点在于：通过 “分子锁” 的拓扑缠结，同时实现 “强锚定” 与 “低黏附”，无需依赖有毒交联剂或含氟成分，且适用于多种基材，应用场景可拓展至其他植入器械（如血管支架、导管）。
未来研究将聚焦三方面：一是开展大动物（如犬）实验，进一步验证涂层在更接近人体生理环境中的性能；二是优化涂层参数，如硅油负载量、“分子锁” 分子量，延长植入时长至 7-14 天；三是推进临床前研究，评估涂层的长期生物安全性与规模化制备可行性，为临床转化奠定基础。该研究为植入式医疗器件的表面功能化提供了新范式，具有重要的临床应用价值与产业化潜力。
原文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202521559 Digital Object Identifier (DOI)
来源：高分子凝胶与网络
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