国家人体组织功能重建工程技术研究中心宁成云教授、广东食品药品职业学院翟锦霞博士、华南农业大学王珍高副教授、在Bioactive Materials（IF=20.3）杂志上发表了一篇题为《Zwitterionic multifunctional coatings with strong hydration for ureteral stents to inhibit infectious encrustation. 》的文章。
输尿管支架结垢是泌尿外科领域的重大临床挑战。在独特的泌尿系统生理环境下，输尿管支架面临尿盐沉积导致的结壳问题，这不仅破坏支架通畅性和功能持续性，还显著降低表面润滑性，增加取出难度。更关键的是，结壳与细菌感染形成双向恶性循环：粗糙表面促进细菌附着，而细菌代谢产物又加速矿物盐沉积，进一步加剧结壳。传统表面改性策略主要采用结晶抑制剂（如肝素、软骨素硫酸盐）或抗菌剂（金属离子、抗菌肽），但存在功能单一、长期稳定性差等局限。本研究基于水合层屏障机制，以两性离子聚合物SBMA为基础，在PU支架表面成功开发出一种多功能涂层（PU/ATS），为解决支架结垢问题提供了新思路。
分子动力学模拟揭示SBMA的抗结壳机制（图1）。径向分布函数分析显示，PU-pSBMA界面在0.28nm处出现g(r)峰值（9879.6），显著高于PU界面（3262.8），证实SBMA形成更致密的水合层。离子-表面相互作用能分析表明，结垢离子与PU表面表现为吸引能（E<0），而与PU-pSBMA表面呈现排斥能（E>0）。10ns模拟后，PU表面出现明显离子聚集，而PU-pSBMA表面几乎没有离子附着，这表明水合层作为一种能量屏障，阻挡并排斥靠近的结壳离子，从而减少了离子附着到表面的可能性。
图1：水合层的抗结壳机制.（a）通过强水化作用实现抗结壳机制的示意图（b）PU/水和 PU-pSBMA/水界面的径向分布函数（g(r)），使用最后 10 纳秒的分子动力学模拟数据绘制；插图展示了平衡状态下的 PU-pSBMA/水和 PU/水界面的 3D 视图；红色珠子代表水合层内的水分子，截止距离为 g(r) 所示的谷值位置（黑色箭头）（c）人工尿液中结壳离子在 PU和 PU-pSBMA 表面的最终状态，离子在 PU 表面聚集并附着，而在 PU-pSBMA 表面未观察到附着现象（d）结壳离子（Ca2+、Mg2+、PO43−、C2O42−）与表面原子（PU 和 PU-pSBMA）之间随时间（t）的变化的最小距离（d）和总相互作用能（E）
基于分子动力学模拟结果，采用 SBMA、TMAPMA 和 AAm，我们设计了具有低（PU/ATS-1）、中（PU/ATS-2）和高（PU/ATS-3）SBMA 密度的多功能抗结壳涂层支架，以探究 SBMA 密度对支架性能的影响。涂层采用UV引发自由基聚合法结合浸涂技术制备。以丙烯酰胺（AAm）、SBMA和TMSPMA为单体，先在PU支架表面通过氧等离子体处理引入羟基，再吸附疏水引发剂BP，最后浸涂预聚液并UV固化。通过SEM、FTIR、XPS等手段表征涂层的形貌和化学结构（图2）。SEM显示涂层厚度均匀（15-20 μm），无界面分离；FTIR光谱在1670 cm-1（AAm的C=O）、1040 cm-1（SBMA的SO3-）和964 cm-1（TMSPMA的Si-O）处出现特征吸收峰。此外XPS检测到S2p和Si2p特征峰，这些都证实SBMA和TMSPMA成功引入。
图2：PU/ATS的制备、形态及结构.（a）制备流程示意图，（i、ii）SBMA、TMSPMA 和AAm 的分子结构以及涂层溶液，（iii）聚合物交联方法和涂层与基底的粘附方式（b）横截面和表面扫描电子显微镜图像（c）傅里叶变换红外光谱（d）XPS 全谱图（e）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）的S2p和N1s的高分辨率XPS谱图
输尿管支架在植入和取出过程中与组织摩擦易引发患者疼痛。本研究开发的PU/ATS涂层通过两性离子聚合物SBMA与亲水单体AAm的协同作用，形成强效水合层，显著提升支架表面润滑性和亲水性（图3）。该涂层利用SBMA与AAm的协同作用，在37℃模拟临床环境中将摩擦系数从1.405显著降低至0.061（降幅达23倍），并展现出优异的润滑稳定性（50次循环测试后仍保持稳定）。同时，涂层赋予支架超亲水特性（接触角<5°），且六个月后仍维持此性能。机械性能上，涂层支架的断裂伸长率>300%，硬度维持在80 HA。在稳定性方面，依据GB/T 14233.1-2022标准进行提取实验，涂层在70°C水浸24 h后吸光度<0.15，pH变化<0.3；30天浸泡实验表明涂层无质量损失。这些数据证明PU/ATS兼具低摩擦、高亲水和长期稳定性。
图3：PU/ATS 的润滑性、亲水性和稳定性.（a）输尿管支架滑动摩擦测试的示意图（b）摩擦系数以及（c）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）在 50 次循环后的平均摩擦系数值（d）接触角（e）吸水率（f）粗糙度，以及（g）硬度，这些数据均来自PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）（h）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）在 70℃的去离子水中浸泡 24 小时后的紫外-可见光谱和 pH 测量值（i）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）在37 ℃的水中不同浸泡时间后的残留质量百分比（j）在 37 ℃的水中不同浸泡时间后，PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）的残留质量百分比（k）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）在人工尿液中的 pH 值，在不同的浸泡时间段内变化情况.
通过建立体外动态尿流模型模拟人体尿液环境，系统评估了不同SBMA密度涂层对矿物盐附着的抑制效果（图4）。实验结果显示，PU/ATS-3在30天和90天的测试中分别实现96.1%和83.5%的结壳抑制率，表现出最优异的抗结壳性能。扫描电镜观察显示无涂层PU表面出现大量钙磷结晶聚集，而PU/ATS-3表面仅零星分布少量晶体。ICP元素分析进一步证实涂层表面Ca2++Mg2+沉积量从142.4μg/cm²（无涂层PU）降至5.5μg/cm²，DSC测试揭示其高结合水含量是形成有效水合屏障的关键因素。此外，还对支架在模拟结壳前后的摩擦系数进行表征。经过30天后的模拟结壳，所有涂层样品的摩擦系数均低于无涂层PU，且PU/ATS-3在结壳后仍保持了其原始的润滑性能。
图4：PU/ATS 在体外动态尿流模型中的抗结壳评估.（a）体外动态尿流模型的示意图（b）SBMA 密度对结壳矿物质盐附着影响的示意图（c）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）在动态尿液流动模型中30 天后的实物图、代表性SEM以及对应的 EDS 元素图（Ca：蓝色，P：红色）（d）表面的 Ca2+和 Mg2+的总离子含量（e）涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）中的自由水和结合水的比例（f）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）结壳前后的摩擦系数（g）PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）摩擦系数的平均值
尿路感染也是输尿管支架植入后的主要并发症之一。细菌感染，尤其是奇异变形杆菌的感染，也会促进支架结壳的形成。因此抑制细菌对支架表面的粘附对于预防感染和结壳至关重要。在本研究中，选用三种常见尿路感染菌株（大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、奇异变形杆菌）进行抗菌粘附实验（见图5）。菌落计数结果表明，PU/ATS-3对三种菌的粘附抑制率分别达到98.69%、92.82%和89.27%。支持信息中，扫描电镜观察也证实了无涂层PU、PU/ATS-1、PU/ATS-2和PU/ATS-3支架表面粘附细菌数量的逐渐减少。总而言之，PU/ATS-3、涂层由于具有强大的水合层表现出卓越的抗细菌黏附性能。
为了比较评估，我们选用市售的Bard® InLay Optima®支架作为对照组。经过30天的模拟感染性结壳后，PU/ATS涂层支架在对抗结壳方面仍然有效。体式显微镜图像显示，无涂层PU支架表面覆盖了大量结壳，而PU/ATS-3表面仅有少量结壳。随后，我们通过ICP定量测定了支架表面的Ca2+、Mg2+离子含量，PU/ATS-3表面的总离子含量最低。
通过大鼠膀胱植入模型进行28天体内实验，PU/ATS在非感染和感染条件下分别实现99.6%和86.7%的结壳抑制率。SEM和EDS结果显示PU支架表面覆盖大量结壳，而涂层支架保持光滑。组织学分析证实主要器官（心、肝、脾、肺、肾、膀胱、输尿管）未出现炎症、坏死或纤维化改变，H&E染色显示膀胱组织形态完整，涂层组在感染条件下仅见轻微黏膜炎症，显著优于PU。这进一步证实了PU/ATS涂层支架在抑制结壳形成方面的显著优势。
图5：PU/ATS 在体外的抗菌黏附活性.（a）琼脂平板照片以及（b）大肠杆菌、（c）金黄色葡萄球菌和（d）奇异变形杆菌在PU和涂层样品（PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3）上的细菌黏附率
图6：30 天的体外动态尿流感染模型中抗结壳实验.（a）动态尿流流动感染模型支架的示意图（b）30 天后PU、PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3 和商业Bard® InLay Optima® 支架上的结壳情况（c）代表性的扫描电子显微镜图像及相应的能谱元素图（钙：蓝色，镁：橙色，磷：红色）显示了结壳情况（d）在动态尿流感染模型中 30 天后PU、PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3 和商业Bard® InLay Optima® 支架上钙离子和镁离子的总离子含量（e）动态尿流感染模型中 30 天后PU、PU/ATS-1、PU/ATS-2、PU/ATS-3 和商业Bard® InLay Optima® 支架上的生物膜含量
图7：体内抗结壳性能.（a）动物模型及手术流程示意图（b）实物图以及（c）在体内非感染和感染两种情况下PU和PU/ATS支架上结壳的高分辨X射线3D显微镜图像（d）结壳重量（e）结壳SEM/EDS图像以及（f）在非感染和感染两种情况下PU和PU/ATS支架的总结壳离子含量（g）在非感染条件下大鼠主要器官（心脏、肝脏、脾脏、肺、肾、膀胱和输尿管）的 H&E 染色图像
本研究成功开发基于两性离子聚合物SBMA的多功能涂层，通过强水合层机制有效抑制输尿管支架结壳。系统实验证实涂层在体外和体内均表现出优异抗结垢、抗菌性能和生物相容性。该策略为尿路医疗器械表面改性提供了新范式，具有重要临床应用前景。