做人要正直 植入人体的医疗装置也要“刚正不阿”？

——研究人员展示了弯曲的植入式医疗装置如何导致细菌生长

加拿大多伦多大学应用科学与工程学院研究人员的一项研究表明，医用植入材料的机械变形（如弯曲或扭曲）会对潜在有害生物膜的形成产生重大影响。

这项发表在《科学报告》（Scientific Reports）上的论文中描述的研究表明，即使是聚二甲基硅氧烷（PDMS）等弹性材料（也称为硅胶）的轻微弯曲也会打开微观裂缝，这是定植细菌的完美环境。

新研究的资深作者是该学院材料科学与工程系的副教授 Ben Hatton，由实验室研究人员 Dalal Asker 和 Tarek Awad 共同撰写，主要作者还包括博士候选人Desmond van den Berg。

Ben Hatton 与 Desmond van den Berg。

研究者指出：

这些材料用于各种生物医学应用，从导管到气管插管和假体乳房植入物。

在这些材料上形成微生物生物膜很常见，但我们惊讶于弯曲有机硅和其他橡胶材料导致这些裂缝可逆地打开和关闭的程度，以及它们在生物膜形成方面有多大的差异。

生物膜是在表面上生长的复杂生物群落。虽然单个微生物细胞对抗生素和身体的自然防御系统都敏感，但生物膜环境可以保护它们免受这些干预措施的影响，这可能导致持续感染。

与医疗器械生物膜相关的感染有时会在手术后发展，可能是严重的健康风险，延长住院时间或导致已出院的患者再次入院。

该研究团队是世界上开发新材料、涂层和其他方法以防止形成可能导致此类感染的生物膜的研究团体之一。

但在他们最新的工作中，他们选择研究一些更基本的东西：这些定植的微生物是如何首先站稳脚跟的？

研究者指出：

在某种程度上，这源于我们小组采取的多学科方法。

我们正在结合微生物学和材料科学，但也结合了机械工程，因为我们谈论的是机械应力、应变和变形。这种弯曲效果是以前没有注意到的。

该团队测试了各种有机硅样品，包括他们自己合成的一些样品以及用于导尿管的商业级医用导管。然后，他们对这些样品施加机械力以产生表面损伤。他们的实验表明，微裂纹可以很容易地形成。

研究者指出：

我们做的一件事就是用普通的实验室纸巾擦拭它们很多次，即使是这种擦拭也足以造成表面损伤。通过肉眼，它看起来仍然很好，但在显微镜下，我们已经可以看到细菌可以进入的大小的微裂缝。细菌只有几微米大，所以不需要太多。

其他样品则被压成粗糙的脊状图案，形成一系列规则间隔的微裂纹。

然后将所有样品置于细菌培养板中，并接种铜绿假单胞菌，铜绿假单胞菌是一种在这些类型的研究中通常用作模式生物的生物膜形成细菌。生长后，用荧光染料处理样品，使任何附着的细菌在光学显微镜下发出绿色光。

研究者指出：

我们看到的是，细菌非常明显地喜欢附着在这些微观裂缝中。

在弯曲的样品中，处于张力的一侧的细菌数量是处于压缩状态的一侧的四到五倍。这些细胞对生长的地方有充分的选择，但它们显然喜欢所有这些微裂缝被打开的一侧。

唯一相对没有细菌的样品是在团队自己的实验室中合成的，因此保持非常光滑。

即使是我们没有以任何方式损坏的商业生产的产品，也已经有微裂纹，直接在包装时就出现了。

我们怀疑这些是通过制造过程引入的，源于塑料通过挤出或注塑成型形成管或其他形状的方式。

研究者还指出：

这项研究强调了引入促进微生物附着的表面特征是多么容易。对于外科医生来说，一个启示是他们应该注意硅胶装置——比如管子或假体植入物——在使用过程中被弯曲的情况，并特别注意处于紧张状态的一侧，因为这是感染可能开始的地方。

研究者自己发出灵魂拷问：显然，要简单地不弯曲一根应该弯曲的橡胶管是很困难的——否则，你为什么要首先用橡胶来制造它呢?

但是也许我们可以学习更多关于如何控制或隐藏这些表面裂缝的知识，这样弯曲就不是问题了。这就是我们现在正在研究的——研究减少表面损伤的方法，或者修改硅树脂表面以减少这种裂缝的形成。

研究资助：加拿大创新基金会(CFI) #31799 (BDH)， 多伦多大学(BDH) Percy Edward Hart教授，研究新前沿基金 (NFRF)  (BDH) 和康诺特基金会 (BDH) 。

原文图 1：弹性体装置的弯曲变形影响细菌定植。

原文图 2

原文图 5：具有持续变形特性的植入装置

附：原研究背景信息

有机硅、聚氨酯和聚氯乙烯 （PVC） 等弹性体于 1950 年代首次用于医疗设备，现已广泛使用。示例包括聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 导尿管、聚氨酯外周中心静脉导管、内窥镜护套和各种重建整形外科产品，如硅胶假体乳房或面部植入物。最近，有机硅已成为新一代人工心脏和人工心脏瓣膜的基础，因为有机硅具有低血栓形成性、良好的化学稳定性和多功能可制造性。除植入装置外，弹性体在体外医疗设备中也很常见，例如透析系统中的泵和管道。

尽管它们被广泛使用，但弹性体装置的微生物定植以及随后发展为基于生物膜的感染，对于植入式和可重复使用的装置来说仍然是一个持续存在的问题。在米国近 50 万例医疗保健相关感染 （HAI） 中，有 70-2% 是设备相关感染。HAI 显著增加了不良健康风险、患者住院时间和治疗费用。大多数设备相关感染是导管上细菌定植的结果，包括中心插管相关血流感染 （CLABSI）、导管相关尿路感染 （CAUTI） 和呼吸机相关性肺炎 （VAP）。在米国每年插入的 5 多万根中心插管中，其中 3-5% 的患者患有 CLABSI，这大大增加了治疗成本。最近对需要静脉导管插入的患者进行的比较分析显示，感染导致平均额外住院 2 天。

设备相关感染始于微生物病原体最初在表面定植，随后发展成生物膜。生物膜中的细胞产生细胞外聚合物物质，保护它们免受消毒剂，抗生素和宿主防御机制的侵害，因此生物膜具有持久性且难以根除。通常从外植的医疗器械中分离出各种革兰氏阳性细菌（粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、表皮链球菌）、革兰阴性菌（大肠埃希菌、肺炎克雷伯菌、奇异变形杆菌、铜绿假单胞菌）和真菌（白色念珠菌）。已知这些病原体会产生多重耐药性，一旦它们形成生物膜，使用全身广谱抗生素通常是无效的。如果被感染，通常需要移除和更换设备，这可能是一种高度创伤和医学风险的选择，很有可能再次感染。

决定这些细菌菌落最初附着在设备上的时间和地点的物质因素尚不清楚。当然，存在已知的污染事件风险 (概率)，如中心静脉导管 (CVC) 在插入过程中从皮肤上拾取菌群，或血源性病原体在植入物表面定植 (“向表面竞争”)。然而，与设备相关的感染事件仍然难以预测。

因此，该研究团队的目标是更好地了解微生物表面定植的初始阶段。在这项工作中，他们发现了一种与弹性体生物材料的表面缺陷和机械变形相关的微生物定植的全新机制。