DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1741569
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41676072
تاريخ النشر: 2026-01-27
المؤلف: Yuegao Liu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تعديل السطح والخصائص الفائقة الكارهة للماء
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لمعالجة العدوى المرتبطة بالقسطرة والتلوث البيولوجي من خلال تطوير طلاءات هيدروجيل معكوسة هرمية. باستخدام استراتيجية من الأسفل إلى الأعلى تتضمن تنشيط الركيزة بواسطة الدوبامين، وتجميع كولودي مزدوج الطبقات، وتغلغل البوليمر، تم تصميم الطلاءات لتظهر قابلية رطوبة تكيفية وحركة سائلة منخفضة الاحتكاك. تشمل النتائج الرئيسية كفاءة مضادة للبكتيريا بنسبة 98.9% ضد *E. coli*، إلى جانب توافق ممتاز مع الدم وتوافق خلوي، مما يشير إلى إمكانية استخدام الطلاءات بأمان في التطبيقات السريرية.
تظهر الطلاءات انتقالات رطوبة استجابة للإجهاد وتغيرات في اللون الهيكلي تسمح بالمراقبة المرئية للتدهور، بينما يتم تحقيق التصاق قطيرات قابل للتعديل من خلال تغيير هندسة المسام. لا تعزز هذه السطح المتعددة الوظائف مقاومة العدوى فحسب، بل تدمج أيضًا خصائص مقاومة التلوث السلبية وإطلاق الأدوية بشكل محكم، مما يجعلها منصة واعدة للأجهزة الطبية من الجيل التالي. ستهدف الأبحاث المستقبلية إلى التحقق من هذه النتائج في الجسم الحي وتطوير أنظمة تغذية راجعة ذكية لمراقبة إطلاق الأدوية وأداء السطح في الوقت الحقيقي.
مقدمة
تناقش المقدمة الاهتمام المتزايد بالأسطح فائقة الكارهة للماء، التي تحاكي خصائص أوراق اللوتس، بسبب خصائصها في التنظيف الذاتي، ومقاومة التلوث، وطرد السوائل. لقد وجدت هذه الأسطح تطبيقات عبر مجالات مختلفة، خاصة في الأجهزة الطبية الحيوية، حيث يمكن أن تقلل بشكل كبير من التصاق السوائل، وامتصاص البروتينات، واستعمار الميكروبات. هذا الأمر ذو صلة خاصة في البيئات السريرية، حيث تشكل العدوى المرتبطة بالقسطرة مخاطر خطيرة، بما في ذلك تشكيل الأغشية الحيوية البكتيرية التي يمكن أن تؤدي إلى عدوى موضعية ومضاعفات جهازية مثل الإنتان.
يسلط البحث الضوء على قيود المواد التقليدية للقسطرة، التي تكون عرضة للتلوث البيولوجي، ويلاحظ أن التعديلات السطحية الحالية غالبًا ما تفشل في توفير الحماية الكافية. تتضمن الحلول الواعدة إنشاء هياكل هرمية نانوية مجهرية مع طلاءات منخفضة الطاقة السطحية لتطوير أسطح فائقة الكارهة للسوائل. يمكن أن تقلل هذه الهياكل من منطقة الاتصال، وتقاوم التصاق البكتيريا، وتسهّل التنظيف السلبي من خلال حركة السوائل. يقترح المؤلفون طريقة جديدة للتجميع الذاتي من الأسفل إلى الأعلى لتنشيط وطلاء القسطرات الطبية التجارية بطبقة هيدروجيل معكوسة فائقة الكارهة للماء. تهدف هذه الاستراتيجية إلى إنتاج هياكل هرمية متعددة المقاييس تقدم قابلية رطوبة استجابة، وتلوين هيكلي، وخصائص مضادة للبكتيريا، مما يعزز السلامة والأداء للقسطرات في التطبيقات السريرية.
طرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع جزيئات السيليكا في المختبر، بينما تم الحصول على كريات البوليسترين الدقيقة من BaseLine Chromtech (تيانجين، الصين). تم الحصول على الفلورسيلان المستخدم في المعالجة فائقة الكارهة للماء من Aladdin Industrial Corporation، وتم الحصول على المذيبات مثل الن-بروبانول وثنائي كلور الميثان من SaEn Chemical Technology Co., Ltd. وWoKai Biotechnology Co., Ltd.، على التوالي. كانت جميع المواد الكيميائية عالية النقاء واستخدمت دون مزيد من التنقية، مع استخدام مياه نقية تحليليًا طوال التجارب لضمان دقة النتائج.
لإجراء المعالجة فائقة الكارهة للماء، تم إعداد مزيج من الفلورسيلان وثنائي كلور الميثان بنسبة حجم 1:10 ووضعه في حاوية زجاجية محكمة الإغلاق بجانب فيلم مزدوج الطبقات. ثم تم وضع هذا الإعداد في فرن تجفيف عند 70 درجة مئوية لمدة ساعتين لتسهيل المعالجة. أشارت التحليلات بعد المعالجة إلى أن الفيلم المزدوج الطبقات حقق زاوية تماس تتجاوز 150 درجة، مما يؤكد النجاح في تحقيق حالة فائقة الكارهة للماء.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة جديدة للتجميع الذاتي عند واجهة السائل-الغاز لإنشاء فيلم مزدوج الطبقات بخصائص فائقة الكارهة للماء، مستوحاة من الخصائص اللاصقة للبروتينات الفينولية المستمدة من المحار. تضمنت العملية تعديل أسطح القسطرة باستخدام بوليدوبامين (PDA) من خلال البلمرة المؤكسدة، تلاها تجميع فيلم كريات البوليسترين (PS) الدقيقة الذي يحاكي هيكل العين المركبة للبعوض. عمل هذا الفيلم الهرمي كقالب لتصنيع أفلام هيدروجيل معكوسة رقيقة، والتي أظهرت هياكل مسامية معقدة. أدت إضافة الزيت المفلور إلى الهيكل المسامي إلى تعزيز كراهيته للماء، مما سمح لقطرات الماء بالانزلاق بسهولة عبر السطح وتمكين قابلية رطوبة قابلة للتعديل تحت الضغط الميكانيكي.
تم تقييم أداء القسطرة من خلال تجارب في المختبر، مما أظهر تدفقًا سلسًا لكل من قطرات الماء والدم، مما يشير إلى إمكانيته في التطبيقات الطبية الحيوية. كما سلطت الدراسة الضوء على التوافق الحيوي الممتاز للقسطرة، كما يتضح من معدلات التحلل المنخفضة والتصاق الصفائح الدموية القليل، إلى جانب تنشيط فعال لمسار التخثر الداخلي. علاوة على ذلك، أكدت الاختبارات المضادة للميكروبات ضد الإشريكية القولونية فعالية القسطرة المضادة للبكتيريا المذهلة، حيث حققت انخفاضًا بنسبة 98.9% في المستعمرات البكتيرية عند تحميلها بجزيئات دوائية. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن هذا الطلاء الهرمي لا يعزز فقط الخصائص الوظيفية للقسطرة، بل يوفر أيضًا منصة قوية لإطلاق الأدوية بشكل محكم، مما يعالج التحديات الحرجة في منع تشكيل الأغشية الحيوية وتقليل العدوى في الأجهزة الطبية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير طريقة جديدة لإنشاء أفلام بوليسترين (PS) هرمية، باستخدام تقنية ترسيب مزدوجة الطبقات. تم دمج محلول PS بنسبة 10% في وسط مائي مع الن-بروبانول، بينما تم خلط محلول سيليكا (SiO₂) بنسبة 20% في الن-بيوتانول مع الإيثانول اللامائي. تم حقن تعليق PS على ركيزة في مياه فائقة النقاء، مما أدى إلى تشكيل فيلم PS أحادي الطبقة، تلاه إنشاء فيلم مزدوج الطبقات من خلال الترسيب العمودي. تظهر هذه الطريقة نهجًا قابلًا للتوسع في هندسة الطلاءات فائقة الكارهة للماء.
تم تقييم مقاومة الأفلام للتلوث البكتيري من خلال تحليل وحدات تشكيل المستعمرات (CFU)، حيث تم غمر العينات في وسط بكتيري ثم تم تعريضها للموجات فوق الصوتية لتQuantify إزاحة البكتيريا. تم إجراء التجارب تحت ظروف معقمة، مما يضمن موثوقية النتائج. شملت تقنيات التوصيف المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للتحليل الهيكلي وقياسات زاوية التماس لتقييم قابلية الرطوبة، مما يؤكد خصائص الأفلام فائقة الكارهة للماء.
تشير النتائج إلى أن الطلاءات المصممة تمتلك قدرات متعددة الوظائف، بما في ذلك تحسين التحكم في الرطوبة، وتلوين هيكلي، وإطلاق فعال للأدوية المضادة للبكتيريا، مما يقلل بشكل فعال من التصاق البكتيريا وتشكيل الأغشية الحيوية على القسطرات الطبية. لا تساهم هذه الأعمال فقط في تصميم واجهات طبية حيوية متقدمة، بل تمهد أيضًا الطريق للتطورات المستقبلية في الأجهزة الطبية المقاومة للعدوى، مع خطط للتحقق من النتائج في الجسم الحي وأنظمة تغذية راجعة ذكية لمراقبة إطلاق الأدوية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fbioe.2025.1741569
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41676072
Publication Date: 2026-01-27
Author(s): Yuegao Liu et al.
Primary Topic: Surface Modification and Superhydrophobicity
Overview
The research presents a novel approach to address catheter-related infections and biofouling through the development of hierarchical inverse opal hydrogel coatings. Utilizing a bottom-up strategy that involves dopamine-mediated substrate activation, dual-layer colloidal assembly, and polymer infiltration, the coatings are designed to exhibit adaptive wettability and low-friction liquid mobility. Key findings include a 98.9% antibacterial efficiency against *E. coli*, alongside excellent hemocompatibility and cytocompatibility, indicating the coatings’ potential for safe clinical application.
The coatings demonstrate stress-responsive wetting transitions and structural color changes that allow for visual monitoring of degradation, while tunable droplet adhesion is achieved by varying pore geometry. This multifunctional surface not only enhances infection resistance but also integrates passive antifouling and controlled drug release capabilities, making it a promising platform for next-generation medical devices. Future research will aim to validate these findings in vivo and develop intelligent feedback systems for real-time monitoring of drug release and surface performance.
Introduction
The introduction discusses the growing interest in superhydrophobic surfaces, which mimic the properties of lotus leaves, due to their self-cleaning, antifouling, and fluid-repellent characteristics. These surfaces have found applications across various fields, particularly in biomedical devices, where they can significantly reduce fluid adhesion, protein adsorption, and microbial colonization. This is particularly relevant in clinical settings, where catheter-related infections pose serious risks, including the formation of bacterial biofilms that can lead to local infections and systemic complications like sepsis.
The paper highlights the limitations of conventional catheter materials, which are susceptible to biofouling, and notes that existing surface modifications often fail to provide adequate protection. A promising solution involves creating hierarchical micro-nano structures combined with low-surface-energy coatings to develop superliquid-repellent surfaces. These structures can minimize contact area, resist bacterial adhesion, and facilitate passive cleaning through fluid motion. The authors propose a novel bottom-up self-assembly method to activate and coat commercial medical catheters with a superhydrophobic, inverse opal hydrogel layer. This strategy aims to produce multiscale hierarchical structures that offer responsive wettability, structural coloration, and antibacterial properties, thereby enhancing the safety and performance of catheters in clinical applications.
Methods
In this study, silica nanoparticles were synthesized in the laboratory, while polystyrene microspheres were sourced from BaseLine Chromtech (Tianjin, China). The fluorosilane used for superhydrophobic treatment was obtained from Aladdin Industrial Corporation, and solvents such as n-propanol and dichloromethane were procured from SaEn Chemical Technology Co., Ltd. and WoKai Biotechnology Co., Ltd., respectively. All chemicals were of high purity and used without further purification, with analytically pure water employed throughout the experiments to ensure result accuracy.
For the superhydrophobic treatment, a mixture of fluorosilane and dichloromethane was prepared in a 1:10 volume ratio and placed in a sealed glass container alongside a dual-layer film. This setup was then placed in a drying oven at 70 °C for 2 hours to facilitate the treatment. Post-treatment analysis indicated that the dual-layer film achieved a contact angle exceeding 150°, confirming the successful attainment of a superhydrophobic state.
Results
In this study, a novel liquid-gas interface self-assembly method was developed to create a dual-layer film with superhydrophobic properties, inspired by the adhesive qualities of mussel-derived polyphenolic proteins. The process involved the modification of catheter surfaces with polydopamine (PDA) through oxidative polymerization, followed by the assembly of a polystyrene (PS) microsphere film that mimics the compound eye structure of a mosquito. This hierarchical film served as a template for fabricating inverse opal hydrogel thin films, which exhibited complex porous architectures. The incorporation of perfluorinated oil into the porous structure enhanced its hydrophobicity, allowing water droplets to slide effortlessly across the surface and enabling tunable wettability under mechanical stress.
The catheter’s performance was evaluated through in vitro experiments, demonstrating smooth flow for both water and blood droplets, indicating its potential for biomedical applications. The study also highlighted the catheter’s excellent biocompatibility, as evidenced by low hemolysis rates and minimal platelet adhesion, alongside effective activation of the intrinsic coagulation pathway. Furthermore, antimicrobial tests against Escherichia coli confirmed the catheter’s impressive antibacterial efficacy, achieving a 98.9% reduction in bacterial colonies when loaded with drug molecules. Overall, the findings suggest that this hierarchical coating not only enhances the catheter’s functional properties but also provides a robust platform for controlled drug release, addressing critical challenges in preventing biofilm formation and reducing infections in medical devices.
Discussion
In this study, a novel method for creating hierarchical polystyrene (PS) films was developed, utilizing a dual-layer deposition technique. A 10% PS solution in an aqueous medium was combined with n-propanol, while a 20% silica (SiO₂) solution in n-butanol was mixed with anhydrous ethanol. The PS suspension was injected onto a substrate in ultrapure water, resulting in the formation of a monolayer PS film, followed by the establishment of a dual-layer film through vertical deposition. This method demonstrates a scalable approach to engineering superhydrophobic coatings.
The bacterial biofouling resistance of the films was assessed through colony-forming unit (CFU) analysis, where samples were immersed in a bacterial medium and subsequently sonicated to quantify bacterial dislodgment. The experiments were conducted under sterile conditions, ensuring the reliability of the results. Characterization techniques included scanning electron microscopy (SEM) for structural analysis and contact angle measurements to evaluate wettability, confirming the films’ superhydrophobic properties.
The findings indicate that the engineered coatings possess multifunctional capabilities, including enhanced wettability control, structural coloration, and efficient antibacterial drug release, effectively mitigating bacterial adhesion and biofilm formation on medical catheters. This work not only contributes to the design of advanced biomedical interfaces but also sets the stage for future developments in infection-resistant medical devices, with plans for in vivo validation and intelligent feedback systems for monitoring drug release.