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高分子化学与物理

1. 医用高分子材料表界面材料表面直接与外部相接触，其表面性质对后续应用至关重要，因此通过有效的方法来控制和调节表面物理化学性质，使材料具有摩擦性、粘附性、浸润性、导电性、抗菌性、生物相容性等。医用材料作为材料之一，其功能性主要通过医用材料表面与生物环境接触而表现出来，因此需要对医用材料表面进行功能化改性，否则会产生细菌引发感染、凝血引发血栓等。    自2017年起研究团队开展了系列聚电解质复合物医用功能涂层体系研究及应用（见图1），先后设计及制备了聚阳离子-阴离子表面活性剂、聚阴离子-阳离子表面活性剂、单宁酸大分子-阳离子表面活性剂复合物的体系，并将上述功能复合物作为涂层应用制备抗菌医用导管器械（中心静脉导管、导尿管、留置针套管）。该复合物具有水不溶、醇溶特性，可在多种形状/材料基底快速形成较为稳定、无色透明涂层，涂层具有良好的抗菌性以及生物相容性能；但上述体系仅通过非共价相互作用方式的聚电解质复合物涂层在复杂的加工环境（如各种有机试剂）和患者人体环境（如高浓度电解质、不同pH值尿液）中的稳定性不持久，仅用于短期留置类医用导管器械。基于此，进一步设计了稳定、杀菌型的医用导管聚电解质复合物涂层；通过肝素钠与后期可化学交联的有机硅季铵盐一步组装得到了肝素钠醇溶性复合物。复合物涂层内部及与表面之间形成的化学交联结构提高了涂层在高浓度盐溶液、各种有机试剂中的稳定性，同时可获得抗菌和抗凝血功能。另外，针对医用导管植介入后细菌、蛋白、血小板等细胞在表面的黏附问题。又设计了一种成分可调节的聚电解质，与有机硅季铵盐形成的复合物，该复合物涂层兼具抗菌、抗粘附、低摩擦及稳定的多功能医用导管涂层。图1 研究团队设计和制备的系列聚电解质复合物医用功能涂层体系2. 季硫盐抗菌肽设计及合成抗生素滥用所导致的细菌耐药性问题已经对人类的生命健康构成了严重威胁。因此，针对耐药细菌的新型抗菌药物研发显得尤为紧迫。抗菌肽（AMPs）因其独特的抗菌机制，相较于抗生素更不易使细菌产生耐药性。然而，抗菌肽较高的毒性是限制其发展和应用的重要障碍，因此，实现抗菌肽对细菌和正常细胞的更高选择性一直是广大研究者所不断追求的目标。    研究团队通过模拟维生素U的季锍盐结构，利用NCA开环反应合成了一系列星状季锍盐抗菌肽（图2）。获得的季锍盐抗菌肽（G2-PM-1H+）不仅具有广谱抗菌性能，而且对血细胞与细菌的选择性高达16000（HC10/MIC）。此外，该季锍盐抗菌肽可以通过调节侧链的阳离子化程度实现对革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的细菌种类选择性。针对MRSA抗菌实验中，G2-PM-1H+相比于万古霉素可以迅速杀灭MRSA，并且有效防止MRSA生物膜形成。图2. 维生素U结构启发的季锍盐抗菌肽的结构设计及其选择性与抗菌机制3. 留置与介入类医疗器械留置与介入器械应用量大、面广，产值超过300亿元。这类器械使用过程易产生并发症，如：细菌感染、血栓、静脉炎等。针对该产业共性问题，开展温敏型聚氨酯合金材料制备、医用导管精密挤出成型及材料/器械表面抗感染功能改性研究（图3）。分别从材料、加工和表面改性角度解决该类器械置入高模量/体内柔顺性间相互矛盾、管路粗糙度和尺寸公差大与人体作用强和疏水性表面易引发凝血、细菌感染，摩擦力大等引起并发症主要因素。围绕高分子改性方法与性能关系、表面与血液、细胞和细菌间作用关系关键科学问题，实行构建低并发症留置与介入器械从基础、应用基础到产业化的研发模式。研发出的留置期长、体温智能响应型留置针外周精密套管专用材料与器械具有生物相容性好、留置时间长、并发症发生率低等优点，与威高集团合作获一次性使用静脉留置针医疗器械注册证3件（III类），该研究被中央电视台财经频道、山东省新闻联播和《大众日报》作为改革创新典型成果给予重点报道。图3. 介入类医用导管精密加工成型及产业化

1. Lin Liu#, Huan Yu#, Lei Wang, Dongfang Zhou, Xiaozheng Duan, Xu Zhang, Jinghua Yin, Shifang Luan*, Hengchong Shi*. Heparin-network-mediated long-lasting coatings on intravascular catheters for adaptive antithrombosis and antibacterial infection. Nat Commun, 2024, 15, 107.2. Zhenyan Zhang#, Xiaodan Wang#, Jiaying Liu, Huawei Yang, Haoyu Tang, Jing Li, Shifang Luan, Jinghua Yin, Lei Wang*, Hengchong Shi*. Structural Element of Vitamin U-Mimicking Antibacterial Polypeptide with Ultrahigh Selectivity for Effectively Treating MRSA Infections. Angew Chem Int Ed, 2024, e202318011.3. Zhenyan Zhang, Lei Wang*, Jiaying Liu, Huan Yu, Xu Zhang, Jinghua Yin, Shifang Luan, Hengchong Shi*. Water-Triggered Segment Orientation of Long-Lasting Anti-Biofouling Polyurethane Coatings on Biomedical Catheters via Solvent Exchange Strategy. Small, 2023, 19, 2304379.4. Huan Yu, Lei Wang, Zhenyan Zhang, Xu Zhang, Shifang Luan*, Hengchong Shi*. Regulable Polyelectrolyte-Surfactant Complex for Antibacterial Biomedical Catheter Coating via a Readily Scalable Route. Adv Healthcare Mater, 2023, 12, 2202096. 5. Huan Yu, Hengchong Shi*, Ming Zhu, Xu Zhang, Lei Wang, Gongwei Tian, Lingjie Song, Shifang Luan, Dianpeng Qi*, Xiaodong Chen*. Salt-Triggered Adaptive Dissociation Coating with Dual Effect of Antibacteria and Anti-Multiple Encrustations in Urological Devices. Adv Healthcare Mater, 2023, 12, 2203328.

1. 一种功能化聚氨酯及其制备方法和应用. 中国发明专利, 专利号：ZL 202110211198.8 （第一发明人）.2. 一种高分子材料表面抗凝血改性方法. 中国发明专利, 专利号：ZL202010534171.8 （第一发明人）. 3. 一种改性聚氨酯及其制备方法、医用导管及其制备方法. 中国发明专利, 专利号：ZL202010381921.2（第一发明人）. 4. 一种抗菌改性剂及其制备方法、抗菌改性热塑性弹性体及其制备方法. 中国发明专利, 专利号：ZL201810731914.3 （第一发明人）. 5. 一种低药物吸附TPS及其制备方法以及应用. 中国发明专利, 专利号：ZL 201810067210.0 （第一发明人）.

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