对于植入性医疗设备制造商来说，如何处理好生物传感器表面的生物污染成为了要处理的主要问题之一，生物污染与设备的使用寿命息息相关。就目前的抗生物感染效果而言，聚（乙二醇）和两性离子聚合物已经成为2022年上海医疗器械展会上最火热的“黄金标准”涂层，近期，2022年上海医疗器械展会Medtec关注到有团队发现了聚丙烯酰胺水凝胶，表现出优于当前黄金标准材料的抗生物污染性能，这使得医疗器械设备的使用期的再度延长成为可能。
科研人员创建了一个基于聚丙烯酰胺（PAAm）的共聚物水凝胶组合库，并在高通量平行测定中筛选了它们防止血清和富含血小板的血浆污染的能力。团队发现某些非直观的共聚物组合物表现出优于当前黄金标准材料的抗生物污染性能，并使用机器学习来识别支撑其性能的关键分子特征。为了验证，团队用该款水凝胶涂覆了电化学生物传感器的表面，并在啮齿动物模型中评估了它们在体外和体内的抗生物污染性能。该共聚物水凝胶保留了设备功能，并且能够比金标准涂层更好地在体内连续测量小分子药物。我们描述的新方法能够发现可以延长实时体内传感设备寿命的抗生物污染材料。PAAm水凝胶组合库的设计为了最大限度地扩大对聚丙烯酰胺材料的评估范围，作者选择了11种市售的丙烯酰胺衍生单体，并制作了一个包含172种聚丙烯酰胺共聚物水凝胶的库，其中包含独特的二元组合。这些单体的6种混合物（100:0、75:25、50:50、25:75）用20 wt%单体配制，以生成具有模拟人体静脉或动脉组织的刚度值的材料库（图1）。作者对包含两种分子量最不同的单体的均聚物水凝胶进行了振荡剪切流变学：丙烯酰胺（A；Mw=71.08 g/mol）和[三（羟甲基）甲基]-丙烯酰胺（G；Mw=175.18 g/mol））。结果表明，水凝胶表现出相似的剪切储能和损耗模量值，以及与人体静脉和动脉相似的弹性模量值。
图 1. 聚丙烯酰胺水凝胶作为防生物污损装置涂层。
a.用抗生物污损水凝胶涂覆基材可以减轻血小板粘附和聚集。b. 用于组合水凝胶合成的单体：c． 使用苯基-2,4,6-三甲基苯甲酰次膦酸锂 (LAP) 作为自由基光引发剂的聚丙烯酰胺水凝胶的光聚合 (λ = 350 nm)。d. 商业聚合物的杨氏模量范围：聚氨酯 (PU)、硅橡胶 (SR)、聚四氟乙烯 (PTFE)、聚氯乙烯 (PVC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚对二甲苯 C 和聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) . 在这项研究中，聚丙烯酰胺共聚物水凝胶的弹性模量与人体动脉相似。Medtec2022年上海医疗器械展会同时了解到，水凝胶的蛋白质吸附和抗血小板性能为了快速评估水凝胶上的生物污染程度，作者开发了一种高通量测定法来筛选在蛋白质血清中孵育后的血小板粘附（图2）。使用血小板计数来为共聚物水凝胶的抗生物污染性能提供一个简单而现实的指标。每种水凝胶首先在50%胎牛血清中（37°C）孵育（FBS）24小时以引入非特异性蛋白质吸附，然后在大鼠富含血小板的血浆 (PRP) 中孵育1小时以引入可以自动计数的血小板。结果表明，羟乙基丙烯酰胺（F）和二乙基丙烯酰胺（C）共聚物（F50-C50）在所有测试材料中产生最低的血小板计数(82.0±15 platelets/cm2)，显着优于PEG (L; 4,810±520 platelets/cm2)、(M；1,330 ±210 platelets/cm2)、(PHEMA;O；9,560 ± 650 platelets/cm2)和（N；15,900 ± 4,200 platelets/cm2）。
图 2. 鉴定基于丙烯酰胺的抗生物污染共聚物组合。a. 水凝胶样品首先在 50% 胎牛血清中在 37 °C 下孵育 24 小时，以确保样品广泛吸附蛋白质。然后将通过离心大鼠血液获得的富含血小板的血浆 (PRP) 在水凝胶表面上于 37°C 孵育 1 小时。与 PEG、PHEMA 和多两性离子水凝胶对照相比，几种聚丙烯酰胺共聚物水凝胶的血小板粘附性显着降低。湾。对于每种共聚物水凝胶获得的血小板计数分布的标准误差与平均值。C。共聚物水凝胶样品上血小板粘附计数中值的热图，按水凝胶配方中每种单体的重量比排序（100/0、25/75、50/50、75/25）。将颜色分配给在 n ≥ 3 次测试中获得的中位数。单体特征相关性评估和传感器使用寿命表征为了解材料抗生物污染特性的分子特征，作者分析了每种单体和所得水凝胶的物理化学性质以及这些特征对污染趋势的贡献（图3）。使用随机森林模型将共聚物水凝胶分类为“低血小板计数”或“高血小板计数”，该模型提供了对过度拟合的鲁棒性以及通过平均精度降低评估数据特征相关性的能力。结果表明，分子的表面积在抗生物污染性能中起着重要作用。对血小板计数分布异质性的扩展分析也表明，空间模式在观察到的污垢中的重要性。此外，为了评估共聚物水凝胶材料的实用性，作者测试了它在保护血液中的电化学生物传感器方面的抗生物污染性能（图4）。结果表明，F50-C50共聚物水凝胶不仅在体外血液接触环境中的性能明显优于PEG，而且F50-C50涂层的探针比裸露和PEG涂层的探针更可靠。
2022年上海医疗器械展会Medtec China今年也吸引着许多材料领域的巨头，包括韦恩堡、庄信万丰贵金属、田中贵金属（上海）、ELGILOY特种金属、三铃制线、江阴佩尔、麦迪斯、美国奥博锐、古河科技、沈阳中核舰航、路博润、NuSil、迈图、科思创、艾曼斯、塞拉尼斯、索尔维、龙海化工、江苏君华等，现在预登记通道已开启，点击进行预登记。
图3.单体特征相关性评估。a。基于原始血小板粘附数据的单体特异性类富集，表明单个单体对抗生物污染性能的贡献。这并没有说明单体的固有特征，而是简单地量化了每个特定单体的贡献。b。使用特征集 B 评估的描述符值的平均降低精度 (MDA)，总结了所有单体中特征的重要性。正值（黑色）表示该特征与模型性能相关，而负值（白色）不通知模型。c。具有最佳抗生物污损性能 (F50-C50) 的共聚物水凝胶中单体的总体 MDA 最高的描述符值。描述符是通过将有关单体的复杂化学信息转换为适合分析的数字而获得的。
图 4. 电化学设备的水凝胶保护延长了使用寿命和信号质量，超过了 PEG 涂层设备。a.基于亲和的电化学传感器可用于检测亚铁氰化物物质 (FeCN6)4- 的氧化。b. 体外测定以观察设备表面的血液污染。探针通过 Eppendorf 管盖插入，以防止与侧壁接触。设备上的生物污垢减少了循环伏安法 (CV) 的氧化和还原峰。c. 探针涂有可见的水凝胶层以减轻生物污染。d。通过在亚铁氰化物的氧化和还原电位之间循环电极获得CV曲线。有代表性的图表显示在添加 CaCl2 之前和之后。e.体外测定设置。倒置试管以确保探针完全浸入血液中。f. 孵育 2 小时后，设备显示出明显的污垢迹象。G。生物污染后器件的归一化信号强度，由来自 CV 的阳极峰值电流定义。水凝胶生物传感器的体内实时监测作者评估了水凝胶涂层生物传感器的体内实时监测，利用结构转换适配子在体内连续测量特定分析物（图5）。作为模型系统，使用了结合卡那霉素的氨基糖苷适体。为了测试这些水凝胶涂层在体内实时监测分析物卡那霉素的功能功效，在大鼠的股静脉中进行了测试。使用F50-C50涂层装置成功记录了体内的实时药物浓度。在孵育后大约200分钟的过程中，在不同时间点确定响应卡那霉素给药的信号峰，并由于传感器间的变化而归一化为初始峰强度。结果表明，PEG涂层传感器与原始信号的平均偏差为64.2±16.1%，而F50C50涂层增强的抗生物污染能力导致与原始信号的偏差显着减少，为3.8±4.9%。
图5 F50-C50水凝胶涂层体内的连续实时监测。
总结
根据团队的多项测试与研究，发现某些共聚物配方可以提供比均聚物更好的抗生物污损性能，不仅突出了将化学设计直觉与高通量筛选方法相结合以发现新材料的价值。同时证明了这些新的水凝胶涂层对电极表面的适用性。考虑到这些基于聚丙烯酰胺的共聚物材料的成功，类似地评估包含 PEG 和两性离子聚合物的共聚物水凝胶的抗生物污染性能将很重要。同时为了使用易于扩展制造的简便合成方法，我们也尽管必须进行未来的研究以优化这些水凝胶对设备表面的粘附强度，以便长期生物医学使用和以提高水凝胶材料的耐久性。甚至可以发现能够长期植入生物传感器设备以持续监测慢性生物医学状况的抗生物污染材料。
相关论文以题为“Combinatorial Polyacrylamide Hydrogels for Preventing Biofouling on Implantable Biosensors”发表在SCI顶级材料期刊《Advanced Materials》上。通讯作者是斯坦福大学Eric A. Appel助理教授和H. Tom Soh教授。
参考文献：
doi.org/10.1002/adma.202109764
来源：水凝胶