تاريخ الاستلام: 26 أكتوبر 2022
تم القبول: 14 ديسمبر 2023

نُشر على الإنترنت: 02 يناير 2024
(أ) التحقق من التحديثات

تستخدم القسطرات الوريدية (IV) على نطاق واسع في العيادات لتشخيص وعلاج الأمراض الحادة والمزمنة، خاصة للمرضى الذين يعانون من أمراض القلب، وأمراض القلب والأوعية الدموية، والسرطان، وما إلى ذلك. حوالي 90% من المرضى الذين يتم إدخالهم إلى المستشفى يحتاجون إلى قسطرات وريدية قصيرة أو طويلة الأمد لتوصيل الأدوية، ومحاليل المغذيات، والدم. تم استخدام أكثر من 5 ملايين قسطرة وريدية مركزية (CVCs) لعلاج السرطان في الولايات المتحدة الأمريكية. ومع ذلك، قد يؤدي الاستخدام الواسع لخطوط الوريد إلى زيادة كبيرة في حدوث مضاعفات تهدد الحياة، مثل العدوى المرتبطة بالقسطرة في مجرى الدم (CRBIs). thrombosis المرتبطة بالقسطرة (CRT) قد تؤدي جلطات الدم على أسطح القسطرة أيضًا إلى خلل في الجهاز وعرقلة تدفق الدم، مما يؤدي إلى
جلطة الأوردة العميقة مع معدل وفيات مرتفع على سبيل المثال، تجلط الأوردة العميقة المرتبط بالعلاج القلبي الكهربائي يمثل من CRTs في البالغين و في الأطفال بالإضافة إلى CRT و CRBIs، يمكن أن تؤدي البكتيريا التي تدخل أثناء زراعة قسطرات الوريد إلى أمراض ناتجة عن البكتيريا بسبب تكوين الأغشية الحيوية. مثل التهاب الشغاف على الرغم من بذل جهود كبيرة لمنع العدوى البكتيرية تظل معدل الوفيات الناتجة عن العدوى المرتبطة بالقسطرة مرتفعًا عند سنويًا في الولايات المتحدة من المهم أن نلاحظ أن CRBIs و CRT معقدة ومترابطة. يمكن أن تسبب السموم البكتيرية تكوّن جلطات. ويمكن أن تؤدي الجلطات بسهولة إلى التصاق البكتيريا لتعزيز تكوين الأغشية الحيوية بسبب مكوناتها، مثل

فيبرين وفبرونيكتين كانت معدلات استعمار البكتيريا على القسطرة المصابة بالجلطات تقريبًا ضعف المعدل. مقابل 19.4%)، وزادت معدلات تعفن الدم الناتج عن القسطرة ( مقابل 7%) . على الرغم من الجهود الكبيرة تظل العلاقة المتبادلة بين المضاعفات المعدية والمضاعفات التخثرية غير واضحة، مما يسبب تحديات سريرية خطيرة، وهناك حاجة ملحة لنهج فعال لعلاج العدوى المرتبطة بالقسطرة والتخثر في نفس الوقت.

عادةً، تعتبر استراتيجية شائعة لعلاج العدوى والجلطات في العيادة هي إعطاء المضادات الحيوية والهيبارين الوريدي (HS) قبل أو مباشرة بعد زراعة القسطرة. ومع ذلك، فإن ظهور بكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية ونقص الصفائح الدموية الناتج عن الهيبارين لا يزال يمثل تحديات لهذه العلاجات. لذا، فإن بناء أجهزة قسطرة IV وظيفية ذات تأثيرات مضادة للبكتيريا ومضادة للتخثر قد يكون نهجًا أكثر جاذبية لتقليل CRT أو CRBIs. يمكن الحصول على القساطر المضادة للبكتيريا من خلال تعديل كيميائي للببتيدات الكاتيونية. مركبات الأمونيوم الرباعية وغيرها من الأجزاء الكاتيونية يمكن تقليل الجلطات عن طريق تغليفها بالهيبارين ومثبط التربسين من الذرة وثربومودولين. ومع ذلك، فإن الأساليب المتاحة تجارياً لعلاج كل من العدوى المرتبطة بالقسطرة (CRBIs) والعلاج القائم على القسطرة (CRT) تفتقر إلى الفعالية بسبب التعقيد والترابط بين CRBIs وCRT. والأهم من ذلك، أن العلاقة المحتملة بين CRBIs وCRT غالباً ما يتم تجاهلها. بالإضافة إلى ذلك، قد تزيد تنوع القسطرات ذات التجاويف المختلفة والممرات الضيقة والطويلة من صعوبة تشكيل الطلاءات. عادةً ما يتضمن الربط التساهمي، الذي يُستخدم لبناء طلاءات قوية، عملية صارمة. بالمقابل، قد تكون الطلاءات غير التساهمية ذات الخصائص السريعة والسهلة محدودة بسبب الاستقرار الضعيف في البيئات الفسيولوجية المعقدة، بما في ذلك التغيرات في القوة الأيونية، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، وغيرها. لذا، يجب تطوير طلاءات قوية (أي، تظهر استقرارًا طويل الأمد يصل إلى 30 يومًا في بيئات متنوعة)، ومرنة (تتمتع بمرونة هيكلية وتركيبية)، وقابلة للتكيف (تستجيب للمؤثرات) للحصول على قثاطير وظيفية تتمتع بخصائص مضادة للبكتيريا ومضادة للتخثر لعلاج العدوى المرتبطة بالقثاطير والتخثر المرتبط بالقثاطير في الوقت نفسه.

هنا، نبلغ عن طريقة مختصرة ومباشرة لبناء طلاء طويل الأمد (30 يومًا) وقابل للتكيف يجمع بين القدرة العالية على مضاد التخثر لـ HS والميزة الجيدة المضادة للبكتيريا لـ dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium (DAC) لعلاج CRBIs وCRT بشكل متكامل. كما هو موضح في الشكل 1، يمكن أن يتجمع HS-Na متعدد الأنيونات مع DAC-CI لتوليد تجمعات HS/DAC من خلال تفاعل خطوة واحدة. نظرًا لالتصاقه العالي، يمكن لطلاء HS/DAC القابل للذوبان في الدهون أن يلتصق بإحكام على الركائز، مما يظهر وعدًا كبيرًا للاستخدام في مختلف قسطرات IV، مثل القسطرات الطويلة والنحيفة. بعد التسخين، يمكن أن يعزز تشكيل الشبكات المتقاطعة بين طلاءات HS/DAC والركائز الاستقرار الهيكلي حتى في ظل ظروف بيئية قاسية مختلفة والانحناءات الميكانيكية. في الوقت نفسه، يمكن أن تضعف الأملاح التفاعلات الكهربائية ثنائية القطب بين السلاسل الداخلية لـ HS/DAC. تتعرض المزيد من المجموعات الوظيفية في HS/DAC، مثل السلفامات، والسلفونات، ومجموعات الكربوكسيل لـ HS ومجموعات الأمونيوم الرباعية لـ DAC، في محلول الإلكتروليت. المجموعات المحبة للماء المعرضة أكثر ملاءمة لتقليل معدل التصاق الجلطة. في نماذج الكلاب الحادة، كما تظهر أداءً واسع الطيف ضد البكتيريا الموجبة للجرام مثل المكورات العنقودية الذهبية (S. aureus) والإشريكية القولونية (E. coli). علاوة على ذلك، تحققنا أيضًا من أن هذا الطلاء يمكن أن يقلل بشكل كبير من العدوى البكتيرية والجلطات الناتجة عن زراعة القسطرة في نموذج الأرنب الخارجي، وهو ما نادرًا ما تم الإبلاغ عنه.

قمنا أولاً بتحضير مركبات HS/DAC من خلال عملية تجميع ذاتية مختصرة ومباشرة (الشكل التكميلي 1). مع زيادة طول سلسلة الألكيل لـ DAC من 1 إلى 18، كانت هناك حاجة إلى تركيز أقل لتوليد تجمعات غير قابلة للذوبان في الماء (الشكل التكميلي 2). وبفضل التفاعلات الكارهة للماء القوية، كان بإمكان DAC ذو طول سلسلة الألكيل 18 توليد المزيد من التجمعات المائية مقارنةً بالمجموعات الأخرى.
سلسلة الألكيل نفس التركيز من ، وهذا تم اختيار مركب DAC للخصائص التالية. بالمقارنة مع HS، أنتج مركب HS/DAC نطاقات جديدة مميزة في الأشعة تحت الحمراء (مثل “ امتصاص DAC عند ) وذروات جديدة في طيف الإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS، مثل من DAC عند 101 إلكترون فولت)، مما يشير إلى أن مركب HS/DAC تم تصنيعه بنجاح (الشكل التكميلي 3). يجب أيضًا مراعاة الذوبانية الجيدة في المحاليل العضوية عند بناء الطلاءات الموحدة، خاصةً للقثاطير الوريدية ذات التركيبات والأشكال المعقدة. كما هو موضح في الشكل التكميلي 4، يمكن لمركب HS/DAC القابل للذوبان في الدهون أن يشكل محلولًا واضحًا في ثنائي ميثيل سلفوكسيد، وثنائي كلورو ميثان، والتولوين، وهو ما يُعزى إلى المجموعات الألكيلية الطويلة وتأثير التصفية الكهروستاتيكية.

نظرًا لخصائصه غير القابلة للذوبان في الماء ولكن القابلة للذوبان في الدهون، فإن مركب HS/DAC يعد مرشحًا مثاليًا لتوليد طلاءات متجانسة بسرعة من خلال طريقة الطلاء بالغمر السهلة. كما هو موضح في الشكل التوضيحي 5a، ارتبط مركب HS/DAC في البداية بأسطح البولي يوريثين الحراري (TPU) المائية الهيدروكسيلية من خلال تفاعلات بين الجزيئات، ويمكن الحصول على طلاء قوي من خلال معالجة حرارية لتشكيل شبكات كيميائية متقاطعة بين الألكوكسي سيلاين القابل للتحلل في HS/DAC والمجموعات الهيدروكسيلية في الركائز، DAC، أو HS. تم استخدام زوايا تماس الماء، وXPS، وتحليل الطيف الكهرومغناطيسي بالأشعة تحت الحمراء (FTIR) لتأكيد تشكيل HS/DAC على أسطح TPU (الشكل 2a والشكل التوضيحي 5b، d). . بعد المعالجة الحرارية، يظهر شريط جديد عند ظهر في طيف FTIR لـ (HS/DAC)-TPU، والذي ينتمي إلى اهتزاز تلسكوبي غير متماثل لـ Si-O-Si. تغييرات واضحة في شدة الامتصاص عند و نُسِبَت إلى تشكيل الفرق المرتبطة، بما في ذلك ، أو “ . بالمقارنة مع TPU العاري، لم تُلاحظ تغييرات ملحوظة في الخشونة في الطلاء المُشكل HS/DAC (الشكل 2ب)، وكان سمكه حوالي 170 نانومتر (الشكل 2ج). بالإضافة إلى ذلك، أكثر من تم الحفاظ على النفاذية في TPU المغلف بـ HS/DAC، مما يشير إلى أن الطلاء المتكون يظهر شفافية بصرية جيدة وهو مادة طلاء مثالية للأجهزة الطبية (الشكل 2d).

نظرًا للأشكال المعقدة والبيئات السريرية للأجهزة الطبية المستخدمة، يجب أن تتضمن مواد الطلاء طرق تصنيع سهلة وتظهر متانة على المدى الطويل. لإثبات ذلك، تم استخدام مركب HS/DAC لتشكيل الطلاءات على مختلف الأجهزة الطبية بغض النظر عن التركيب والشكل من خلال طريقة التلوين (الشكل 2e)، بما في ذلك قسطرات CVC متعددة التجاويف من البولي يوريثين، وقسطرات غسيل الكلى من كلوريد البوليفينيل (PVC)، وقسطرات زجاجية ورقيقة (طول متر، قطر خارجي تم تقييم قوة الترابط الواجهية للطلاء تحت بيئات قاسية مختلفة باستخدام مجسات فلورية. تم استخدام ملح الأمونيوم الرباعي الشائع بدون مجموعة وظيفية سيلاكساني (كلوريد ستيريل تريميثيل الأمونيوم، QAC-CI) لتحضير مركب HS/QAC كعنصر تحكم. تم مراقبة الاستقرار الكيميائي لـ (HS/DAC)-TPU و (HS/QAC)-TPU تحت بيئات محاكاة، بما في ذلك الأملاح والمذيبات العضوية وقيم pH، من خلال التغيرات اللونية أو الفلورية لمؤشرات الورد البنغالي وفلوريسئين الصوديوم، على التوالي. بعد 3 ساعات من الموجات فوق الصوتية في المحلول المحاكي، انفصل طلاء HS/QAC المثبت بشكل غير تساهمي بشكل ملحوظ، خاصة في محاليل الأملاح عالية التركيز والمطهرات. بالمقابل، أظهر (HS/DAC)-TPU الذي يحتوي على روابط تداخل كيميائية قوية توزيعًا لونيًا أو فلوريًا موحدًا ودون تغيير تحت جميع الظروف المختبرة (الشكل 2f i والشكل التكميلي 6). بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتصور التغيرات في الشكل في الطلاء تحت تحديات قاسية، مما يؤكد الاستقرار الميكانيكي لطلاء HS/DAC. بعد الانحناء إلى بعد 500 مرة، أظهر القسطرة المطلية بـ HS/DAC القليل من الانفصال أو التشقق، ولكن كانت هناك كميات كبيرة من الانفصال والتشققات على سطح القسطرة الضابطة المطلية بـ HS/QAC (الشكل 2f ii). بعد أن خضعت (HS/DAC)-TPU للتعقيم بالبخار تحت الضغط ( ) أو تعرض لنيتروجين سائل لمدة 30 دقيقة، لم يُلاحظ تقشير و

الشكل 1 | توضيح تخطيطي يوضح تشكيل وتطبيق CVCs المغلفة بـ HS/ DAC بخصائص قوية مضادة للبكتيريا ومضادة للتخثر.
رسم توضيحي للإجراء المستخدم لتحضير مركب HS/DAC و HS/DAC
طلاء. خصائص الانفصال لطلاءات HS/DAC والقدرات المضادة للبكتيريا والمضادة للتخثر الناتجة. ج تعددية الوظائف لقسطرات IV المطلية بـ HS/DAC، مثل المتانة والقدرات المضادة للبكتيريا والمضادة للتخثر.
كان الطلاء سليمًا (الشكل 2f iii). قمنا بمزيد من الاستكشاف لاستقرار طلاء HS/DAC على المدى الطويل في التدفق عبر نموذج دوران متعدد القنوات وثبات في الجسم الحي من خلال نموذج زراعة تحت الجلد، على التوالي. بالمقارنة مع طلاء HS/DAC غير المعالج، انخفض امتصاص الطلاء المعلم بمقدار 1.8 مرة و3 مرات بعد حضانة التدفق وزراعة في الجسم الحي لمدة 30 يومًا (الشكل التوضيحي 7).

تشكيل CRT هو مرض متعدد المكونات بعد زراعة القسطرة في الأوعية الدموية، مثل عوامل التخثر المختلفة، البروتينات، خلايا الدم، والخلايا الالتهابية، وغيرها. لذلك، تم التحقيق أولاً في آلية مضادات التخثر للطلاء من خلال استكشاف العلاقة بين السطح وسلسلة التخثر والبروتينات والخلايا الالتهابية.

الشكل 2 | إعداد وتوصيف طلاء HS/DAC. أ رسم تخطيطي لعملية التكثيف لطلاء HS/DAC بعد التسخين والتغيرات المقابلة في الأشرطة المرتبطة في FTIR. خشونة فيلم TPU العاري وفيلم TPU المغطى بـ HS/DAC عبر AFM (المتوسط SD عينات مستقلة). صور SEM لمقاطع عرضية لأفلام TPU غير المغلفة وأفلام TPU المغلفة بـ HS/DAC. تم تكرار القياسات أربع مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة.

كما تم توضيحه سابقًا يحفز الهيبارين (HS) نشاط السيربين أنتيثرومبين III ويشكل طبقات ترطيب للحصول على نشاط أنتيثرومبين. يتغير شكل أنتيثرومبين III بعد الارتباط بالهيبارين، مما يمكن أن يثبط بشكل كبير عامل التجلط Xa (FXa) والثروبين (FIIa). لفحص النشاط المضاد للتخثر لطلاء HS/DAC، تم استخدام اختبارات مضادة لـ FXa وFIla الكروموجينية. بالمقارنة مع TPU وDAC-TPU، قلل (HS/DAC)-TPU من تحويل الركيزة بـ و ، على التوالي (الشكل 3 أ، ب)، مما يشير إلى أن (HS/DAC)-TPU قد أوقف بشكل كبير FXa و FIIa. لذلك، قد يمنع طلاء HS/DAC تكوين الجلطات عن طريق قطع بعض مسارات التخثر.

تنشيط الفيبرينوجين (Fg) إلى الفيبرين هو الخطوة النهائية في سلسلة التخثر، حيث تلعب التحلل المائي للثرومبين دورًا حاسمًا. لقد ثبت أن طلاء HS/DAC له تأثير مثبط كبير على نشاط الثرومبين. ثم تم التحقيق في التصاق/تنشيط Fg من خلال حلقة أنبوب دائري مغلقة من الدم الكامل (الشكل التوضيحي التكميلي 8a). تم إضافة FITC-Fg إلى الدم الطازج وتم تدويره.
مع عينات لمدة ساعتين لدراسة التصاق Fg. أشارت صور المجهر الضوئي الماسح بالليزر (CLSM) إلى أن Fg كان أقل التصاقًا في القسطرة المطلية بـ HS/DAC مقارنة بالقسطرة العارية (الشكل 3d). على العكس من ذلك، لوحظت اختلافات ضئيلة في كمية ألبومين مصل البقر (BSA) من خلال اختبار حمض البيكينشونيك (BCA) عندما تم نقع العينات في محلول PBS من BSA (الشكل 3c). يُعتقد أن هذه الظاهرة المختلفة مرتبطة بتنشيط Fg. تؤدي التغيرات الشكلية في بنية Fg أثناء تنشيط Fg لتشكيل شبكة من الفيبرين إلى تعرض مواقع ربط متعددة. يمكن أن ترتبط هذه المواقع بمختلف البروتينات، مما يتسبب في امتصاص البروتين. وبالتالي، تم التحقيق في تأثير طلاء HS/DAC على تنشيط Fg بعد ساعتين من الدوران في الدم الكامل من خلال تقييم تعرض الـ سلسلة عبر طريقة صبغ المناعة الفلورية. كما هو موضح في الشكل 3d، فإن القسطرات المغلفة بـ HS/DAC تعرض كمية أقل بشكل ملحوظ السلاسل مقارنة بالقسطرات العارية.

يمكن أن تعزز الصفائح الدموية الملتصقة أو الصفائح الدموية التصاق الكريات البيضاء. ومن جهة أخرى، تعزز الكريات البيضاء تنشيط الصفائح الدموية المحلية و

الشكل 3 | تقييم القدرة المضادة للتخثر لطلاء HS/DAC في المختبر وفي الجسم الحي. أ مضاد FXa و اختبارات anti-FIla لنشاط مضاد التخثر للهيبارين على TPU المغطاة بـ HS/DAC (المتوسط SD عينات مستقلة). ج. كميات من BSA الممتصة على TPU العاري والمغطى بـ HS/DAC. تم غمر العينة في محلول BSA وتم تحديد امتصاص البروتينات بواسطة مجموعة اختبار بروتين BCA (المتوسط SD عينات مستقلة). صور CLSM لالتصاق Fg، وتفعيل، والتصاق الكريات البيضاء على سطح القسطرة العارية والقسطرة المطلية بـ HS/DAC. تم تكرار القياسات ثلاث مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة. تم إضافة FITC-Fg إلى دم كامل طازج وتم تدويره مع العينات من خلال حلقة أنبوب دائري مغلقة لمدة ساعتين في اختبار التصاق وتفعيل Fg.

تم الكشف عن التصاق الكريات البيضاء عبر التألق المناعي. المخططات الآلية لمكافحة التخثر للقسطرات المغلفة بـ HS/DAC. صور رقمية وصور SEM للجلطة على قثاطير CVC غير المطلية والمطلية بـ HS/DAC في نموذج الكلاب الحاد في الجسم الحي تم تكرار القياسات ثلاث مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة. العملية التي يتم من خلالها تفكك التفاعل الكهروستاتيكي لطلاء HS/DAC ونتائج WCA (المتوسط SD العيّنات المستقلة) وطيف ATR-FTIR لطلاء HS/DAC على TPU قبل وبعد المعالجة بـ PBS. تم استخدام تحليل التباين الأحادي مع اختبار توكي بعد ذلك في (أ، ب). تم استخدام اختبار t لعينتين من طلاب في ج. ns: لا يوجد فرق ذو دلالة إحصائية. في ج.
تشارك في تشكيل الجلطة . لذلك، تم اختيار الخلايا الوحيدة اللمفاوية والخلايا المتعادلة، كخلايا التهابية نموذجية، لاستكشاف التصاق الكريات البيضاء. بفضل القدرة القوية لطلاءات HS/DAC على تقليل تنشيط Fg، تم ملاحظة عدد كبير من الخلايا الالتهابية المحاصرة بشكل سلبي في جلطات الفيبرين فقط على سطح القسطرة العارية (الشكل 3d والشكل التكميلي 8b). باختصار، يمكن لطلاء HS/DAC تجنب تنشيط Fg بسبب تثبيط الثرومبين وبروتينات سلسلة التخثر الأخرى، وأيضًا تقليل امتصاص الخلايا الالتهابية (الشكل 3e). تشير آلية مضادات التخثر إلى أن طلاء HS/DAC لديه إمكانات كبيرة لتقليل thrombosis.

تتمتع الطلاءات المضادة للتخثر بأهمية كبيرة وتطبيقات في مختلف الأجهزة الطبية التي تتلامس مع الدم. أولاً، تم استكشاف وظيفة الطلاء المضاد للتخثر HS/DAC من خلال زمن التخثر في المختبر. تحتوي زجاجات HS/DAC المطلية على أطول زمن تخثر في الدم المعاد التكلس مقارنة بزجاجات الزجاج العارية، مما يشير إلى إمكانية استخدام الطلاء في التطبيقات الوعائية المضادة للتخثر (الشكل التكميلي 9a، b). مقارنة بقسطرة CVC التجارية المقاومة للعدوى (Arrowg + ard Blue)، انخفضت كتلة الجلطة في قسطرة CVC المطلية بـ HS/DAC بنسبة 62.5% من خلال حلقة أنبوب دائري مغلقة من الدم الكامل (الشكل التكميلي 9c). وهذا يشير إلى أن الطلاء HS/DAC لديه مزايا محتملة في تثبيط التخثر وتجنب الآثار الجانبية الناتجة عن طرق حقن الهيبارين في العيادة.

لإظهار تأخر تجلط الدم في القسطرات المغلفة بـ HS/DAC، تم إجراء نموذج دائرة خارج الجسم. تم زرع القسطرات العارية والقسطرات المغلفة بـ HS/DAC في ثلاثة أرانب عبر نموذج تحويلة شريانية ووريدية (الشكل التوضيحي التكميلي 10a). في صورة القسطرة المغلفة بـ HS/DAC، لوحظ انخفاض ملحوظ في تكوين الجلطات والانغلاق مقارنة بالقسطرة العارية (الشكل التكميلي 10b)، وتم تقليل كتلة الجلطة بنسبة 85% (الشكل التكميلي 10c).

ثم تم اختيار كلاب البيجل، التي تتوافق بشكل أكبر مع thrombosis الحاد، كنماذج حيوانية لتوضيح الخصائص المضادة للتخثر لأغشية CVC التجارية المغلفة بـ HS/DAC في الجسم الحي. تم إدخال CVC التجاري وCVC المغلف بـ HS/DAC بشكل معقم في الوريد الوداجي الأيسر والأيمن لثلاثة كلاب، على التوالي (الشكل التوضيحي 11a). بعد 24 ساعة من الزرع، تم إزالة الوريد الوداجي وفتحه بالطول. يمكن ملاحظة عدد قليل من الجلطات على CVCs المغلفة بـ HS/DAC، ولكن تم ملاحظة جلطات مرئية كبيرة على الطرف، والثقب الجانبي، وتجويف CVCs العارية، مما قد يتسبب في فشل CVCs (الشكل 3f). مقارنةً بـ CVC التجاري العاري، قلل CVC المغلف بـ HS/DAC من كتلة الجلطة بـ (الشكل التوضيحي الإضافي 11ب).

الاستقرار المضاد للتخثر طويل الأمد لطلاء HS/DAC هو أمر حاسم آخر لزراعة القسطرة الطبية. لذلك، تم التحقيق في الاستقرار المضاد للتخثر لطلاء TPU بـ HS/DAC و HS/QAC الخاص به في البداية من خلال اختبارات الكروموجين لمضاد FXa ومضاد Flla بعد الحضانة في حل لمدة 30 يومًا. ساهمت الروابط التساهمية القوية لطلاء HS/DAC في الحفاظ على النشاط المثبط ضد FXa و FIIa بشكل جيد حتى بعد شهر واحد (الشكل التكميلي 12). كما أن السلوك الهيدروديناميكي في جسم الإنسان يمثل تحديًا لاستقرار الطلاء. لذلك، قمنا بمزيد من التحقيق في الاستقرار المضاد للتخثر طويل الأمد لطلاءات HS/DAC في الدم الاصطناعي مع معدلات قص. و (الشكل التكميلي 13a). يمكن للقسطرة المطلية بـ HS/DAC أن تقلل من تجلط الدم. عندما زادت سرعة القص للدم الاصطناعي إلى (الشكل التكميلي 13b). أخيرًا، تم إنشاء نموذج زراعة تحت الجلد في الجرذان للتحقق من استقرار HS/DAC المضاد للتخثر في الجسم الحي. مقارنةً بالمجموعة الضابطة، انخفض وزن الجلطة على السطح المغطى بـ HS/DAC بأكثر من بعد 30 يومًا من الزرع (الشكل التكميلي 13c، d).

قد تنشأ الوظيفة المضادة للتخثر لطلاء HS/DAC من قابليته للتكيف الذاتي في محلول الملح. بعد التفكك التدريجي لـ HS/DAC المثبت على الركيزة، تم الكشف عن المزيد من المجموعات الوظيفية بما في ذلك السلفامات، والسلفونات، ومجموعات الكربوكسيل لـ HS لتحقيق الأداء المضاد للتخثر. للتحقق من ذلك
تأثير التحفيز بالملح، قمنا بدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية لطلاء (HS/DAC) قبل وبعد المعالجة في محلول الملح. تم تمييز التكيف الذاتي لـ (HS/DAC)-TPU من خلال زوايا تماس الماء الثابتة، FTIR وXPS. بعد الحضانة مع محلول PBS، انخفضت زاوية التماس لـ (HS/DAC)-TPU بشكل ملحوظ، وانتقل نطاق مجموعة الكربوكسيل من 1609 إلى الذي تم نسبه إلى تدمير التفاعلات الكهروستاتيكية بين مجموعات الكربوكسيل ومجموعات الأمين الرباعية (الشكل 3g والشكل التكميلي 14).

تعتبر CRBIs مضاعفة خطيرة أخرى تزيد من خطر الوفاة مع القسطرة الوريدية المزروعة. تم اختيار S. aureus و E. coli كنماذج ميكروبية لتقييم خاصية المضادات الحيوية واسعة الطيف لطلاء HS/DAC. كما هو موضح في الشكل 4a والشكل التكميلي 15، أظهر اختبار عد مستعمرات الأجار أن أسطح TPU المطلية بـ HS/DAC تتمتع بمعدلات قتل بكتيري عالية (أعلى من و ) ضد S. aureus و E. coli عبر وضع القتل بالاتصال. تم استخدام صور SEM و CLSM لدراسة التغيرات الشكلية في S. aureus و E. coli على (HS/DAC)-TPU. بالنسبة لـ TPU العاري، العديد من . أوريوس و توجد بكتيريا الإشريكية القولونية ذات الشكل الخلوي السليم على سطح الفيلم، مما يؤدي إلى ميل كبير لتكوين الأغشية الحيوية (الشكل 4ب والشكل التكميلي 16أ). بالمقابل، أظهرت البكتيريا الملتصقة على (HS/DAC)-TPU أشكالًا متقلصة وفارغة ومبتلعة، وتدفق بعض المواد داخل الخلوية من البكتيريا. يمكن أن يُعزى هذا الخصائص المضادة للبكتيريا واسعة الطيف لطلاء HS/DAC إلى السلسلة الألكيلية الطويلة المحبة للدهون من DAC، التي يمكن أن تخترق جدران الخلايا وأغشية البكتيريا، مما يسبب التحلل الذاتي. مماثل للقسطرات التجارية المضادة للعدوى المستخدمة بشكل شائع، كانت نسبة القتل البكتيري لقسطرة (HS/DAC)-CVC ضد S. aureus أيضًا أكبر من 99% (الشكل التوضيحي التكميلي 16b).

تمت دراسة نشاط (HS/DAC)-TPU المضاد للأغشية الحيوية بشكل أكبر من خلال تمديد وقت التعايش بين العينة والبكتيريا. كما هو موضح في الشكل التكميلي 17a وb، كان (HS/DAC)-TPU خالياً إلى حد كبير من استعمار البكتيريا، ولم يتم العثور على أي أثر للأغشية الحيوية الناضجة. مقارنةً بـ TPU العاري، قلل (HS/DAC)-TPU من تغطية الأغشية الحيوية بـ بعد 48 ساعة.

بالإضافة إلى ذلك، فإن استعمار البكتيريا على أسطح تجويف القسطرة هو عامل آخر يسبب العدوى المرتبطة بالقسطرة. . وبالتالي، تم إثبات الخاصية المضادة للبكتيريا لقسطرة (HS/DAC) تحت ظروف التدفق الساكن والديناميكي بشكل أكبر. على عكس القسطرة العارية تحت الظروف الساكنة، حوالي توفيت البكتيريا على سطح تجويف القسطرة (HS/DAC) (الشكل 4c). بالنسبة لاختبار التدفق الديناميكي، تم محاكاة قسطرة PVC كأوعية دموية، وتدفق LB باستمرار عبر القسطرة التي تم تلقيحها مسبقًا بالبكتيريا (الشكل 4d). التصق عدد كبير من البكتيريا بأسطح تجويف القسطرات العارية بعد 24 ساعة، وتم ترسيب أغشية حيوية بيضاء على أسطح تجويف القسطرة عندما تم تمديد وقت التدفق إلى 48 ساعة. ومع ذلك، لم تُلاحظ سوى عدد قليل من البكتيريا الحية على قسطرة (HS/DAC) وأنابيب PVC لقناة قسطرة (HS/DAC) ذات الشفافية الأعلى (الشكل 4e والشكل التكميلي 17c).

لتقليد البيئات الحية، تم تصميم نموذج زراعة تحت الجلد في الفئران لعدوى بكتيرية. تم زرع قسطرة دائمة (24 G، TPU) ملوثة بـ S. aureus في جانبي ظهر الفأر. بعد 5 أيام، لوحظت ظاهرة صديدية خطيرة في الشقوق المحيطة بالقثاطير العارية، بينما لم تحدث أي عدوى واضحة حول القثاطير المطلية بـ HS/DAC (الشكل 4f). تم توزيع كميات كبيرة من البكتيريا الحية في الأنسجة لزراعة القثاطير العارية، ولكن تم الكشف عن عدد قليل منها في القثاطير المطلية بـ HS/DAC (الشكل التكميلية 18a). وأظهرت صبغة الهيماتوكسيلين والإيوزين (H&E) للأنسجة المحيطة بالقثاطير أن هناك عددًا كبيرًا من الكريات البيضاء المتعادلة واللمفاويات موجودة في مجموعات القثاطير العارية. عوامل الالتهاب المرتبطة بـ TNF- وتمت دراسة IL-6 في الأنسجة لـ

تؤكد بشكل أكبر تنظيم الالتهاب الذي تسببه العدوى البكتيرية. كما هو موضح في الشكل 4g، كانت العوامل المكتشفة منخفضة بشكل ملحوظ في القسطرة المغلفة بـ HS/DAC، وهو ما يتوافق مع نتائج الفحص النسيجي.

عادةً ما يتم زراعة قسطرات CVC لمدة تقارب أسابيع. ومن ثم، يجب أيضًا أخذ الخاصية المضادة للبكتيريا طويلة الأمد لطلاء HS/DAC بعين الاعتبار للوقاية الفعالة من
عدوى مرتبطة بالقسطرة في المختبر وفي الجسم الحي. مقارنة بقسطرة (HS/QAC)، حافظت قسطرة (HS/DAC) على نشاطها المضاد للبكتيريا الأصلي حتى بعد شهر واحد من العلاج في في (الشكل 4 هـ والشكل التكميلي 18ب). بعد ذلك، تم تقييم الاستقرار المضاد للبكتيريا على المدى الطويل لطلاء HS/DAC في الدم الاصطناعي بمعدل قص. و تم التحقيق في ذلك باستخدام نظام الدوران متعدد القنوات. كما هو موضح في الشكل 4i، كانت نسبة قتل البكتيريا لا تزال كما هي

الشكل 4 | تقييم الخاصية المضادة للبكتيريا لطلاء HS/DAC في المختبر وفي الجسم الحي. أ النشاط المضاد للبكتيريا لطلاءات HS/DAC ضد . أوريوس و . كولاي عبر عد مستعمرات صفيحة الأجار (المتوسط SD صور SEM و CLSM للبكتيريا على سطح أفلام TPU العارية والمغطاة بـ HS/DAC بعد زراعتها مع S. aureus أو E. coli لمدة 24 ساعة عند تم تكرار القياسات ثلاث مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة. ج تم إجراء اختبار عد مستعمرات أطباق الأجار لأسطح تجويف القسطرة تحت ظروف ثابتة (المتوسط SD عينات مستقلة). د مخطط توضيحي لاختبار التدفق الديناميكي المضاد للبكتيريا و هـ الصور المقابلة للقسطرة في أوقات مختلفة. و خاصية المضاد للبكتيريا لطلاء HS/DAC في الجسم الحي، بما في ذلك الصور الرقمية للعدوى حول موقع الزرع، وصبغة H&E وعدد المستعمرات (المتوسط SD
تمت تكرار القياسات ثلاث مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة. تحديد كمية السيتوكينات في الأنسجة في موقع الزرع (المتوسط SD عينات مستقلة). كانت كميات البكتيريا الحية على السطح الداخلي للقسطرة مع طلاء HS/QAC أو طلاء HS/DAC مذهلة مع لـ و 30 يومًا (يعني SD استقرار مضاد للبكتيريا على المدى الطويل لطلاء HS/DAC في الدم الاصطناعي مع معدلات قص تبلغ 0 و 30 و بعد 30 يومًا من التدفق (المتوسط SD عينات مستقلة). استقرار الطلاء HS/DAC المضاد للبكتيريا بعد الزرع في الجسم الحي لمدة 0 و 10 و 30 يومًا (المتوسط SD عينات مستقلة). عينة مزدوجة من اختبار ستودنت تم استخدام اختبار (a، c، g). تم استخدام تحليل التباين الأحادي مع اختبار توكي بعد الاختبار في (i، j). ns: لا يوجد فرق ذو دلالة إحصائية. في أنا.
مرتفعًا حتى 97% حتى عند التدفق في دم صناعي بمعدل قص عالي لمدة 30 يومًا. علاوة على ذلك، تم استكشاف الاستقرار المضاد للبكتيريا على المدى الطويل في الجسم الحي بشكل أكبر في نموذج زراعة تحت الجلد في الجرذان. أظهر اختبار عد مستعمرات أطباق الأجار أن طلاء HS/DAC أظهر معدل قتل بكتيري جيد. ) بعد 30 يومًا من الزرع (الشكل 4j).

التوافق الحيوي هو متطلب أساسي للمواد الطبية الحيوية، وقد قمنا أولاً بإجراء اختبار مجموعة عد الخلايا-8 (CCK-8) لتحديد السمية الخلوية لـ HS/DAC. كما هو موضح في الشكل التوضيحي 19a، كانت حيوية الخلايا أكبر من بغض النظر عما إذا كانت مستخلصات (HS/DAC)-TPU أو (HS/DAC)-TPU تتلامس مع الخلايا. ومع ذلك، أظهر التحكم في (HS/QAC)-TPU سمية خلوية واضحة، خاصة عند مستوى منخفض يصل إلى عند الاتصال المباشر بالخلايا. تشير النتائج المذكورة أعلاه إلى أن تشكيل الشبكات المتشابكة في طلاء HS/DAC يمكن أن يحسن بشكل كبير توافق الخلايا. لتوضيح التوافق الحيوي في الجسم الحي، تم التحقيق في التوافق النسيجي للقسطرة العارية والقسطرة المطلية بـ HS/DAC من خلال نموذج زراعة تحت الجلد في ستة فئران ونموذج وعائي في ثلاثة كلاب حادة. حافظت القسطرة المطلية بـ HS/DAC على مستويات التهابية مشابهة للقسطرة العارية من خلال صبغة H&E، مما يشير إلى عدم وجود التهاب واضح (الشكل التكميلي 19b). تغييرات ضئيلة في IL-6 و TNF- أكدت أيضًا التوافق الحيوي الجيد للقسطرات المغلفة بـ HS/DAC في الفئران (الشكل التكميلي 19c). بالإضافة إلى ذلك، أظهرت التحليلات النسجية للأوعية الدموية في نماذج الكلاب عبر صبغة H&E أن القسطرات المزروعة في الأوعية الدموية لم تسبب رد فعل التهابي واضح (الشكل التكميلي 19d).

يمكن أن يؤدي نمط التغذية الراجعة المتبادل الذي تم إنشاؤه بين الأغشية الحيوية والجلطة إلى أمراض خطيرة. . عادةً ما يمكن أن تؤثر البكتيريا التي يتم إدخالها أثناء زراعة القسطرة على تخثر الدم الفردي وتفعيل تجلط الدم من خلال إطلاق مجموعة متنوعة من السموم الخارجية لتحفيز تنشيط وتجمع الصفائح الدموية وتقلص العضلات الملساء (الشكل التوضيحي 20a). ومع ذلك، يعتبر عدد قليل من حالات البكتيريميا المرتبطة بالقسطرة والجلطات المرتبطة بالعدوى الناتجة عن القسطرة. لذلك، تم إنشاء نموذج دوران خارج الجسم لقسطرات الحلقة المغلقة في الأرانب لإظهار الأداء الأفضل لطلائنا HS/DAC (الشكل 5a). كانت كمية الجلطة على القسطرة العارية أعلى بكثير من تلك الموجودة على القسطرة المطلية بـ HS/DAC في أربعة أرانب، خاصة على القسطرة العارية الملقحة بالبكتيريا (الشكل 5b). تم حساب مساحة الجلطة باستخدام برنامج ImageJ V1.49. كما هو موضح في الشكل 5c، قلل القسطرة المطلية بـ HS/DAC من معدل انسداد التخثر بـ ، مما يشير إلى أن طلاء HS/DAC يمكن أن يمنع بشكل فعال تكوين الجلطات بغض النظر عن وجود البكتيريا. كما أظهرت الصور الرقمية وصور المجهر الإلكتروني الماسح للمقطع العرضي وجود جلطة ماكروسكوبية ضخمة على القثاطير العارية. على وجه الخصوص، كانت انسداد اللمعة شديدًا في القثطار العاري مع البكتيريا (الشكل 5d i و ii). اقترحت هذه النتائج أن وجود البكتيريا على القثطار قد يسرع من تكوين الجلطات. بعد ذلك، تم التحقيق في التصاق البكتيريا على سطح القثاطير وفي الدورة الدموية من خلال عد المستعمرات. يمكن ملاحظة عدد كبير من البكتيريا بوضوح على القثطار العاري الملقح بالبكتيريا. في الوقت نفسه، كانت هناك تجلطات شديدة وبكتيريا.
تم اكتشافها في دم خط الدورة الدموية للقسطرة العارية الملقحة بالبكتيريا (الشكل 5d iii والشكل التكميلي 20b، d). بالإضافة إلى ذلك، مقارنةً بالجلطة التي تشكلت على القسطرة العارية، فإن القسطرة العارية الملقحة بالبكتيريا عززت تشكيل الألياف وأغشية الفيبرين (الشكل 5d iv)، والتي ترتبط بتكوين الأغشية الحيوية. يتم تنشيط نظام التخثر ويشكل التخثر المناعي من خلال تفاعل خلايا المناعة الفطرية والصفائح الدموية للحد من انتشار البكتيريا في مجرى الدم عندما تغزو العوامل الممرضة مجرى الدم. تم اختبار ارتباط وحيدات النوى على القسطرات بشكل إضافي من خلال الكشف المناعي بالفلوريسنس. وُجدت العديد من وحيدات النوى في القسطرات العارية، بينما وُجد عدد قليل من الخلايا في القسطرات المطلية بـ HS/DAC. بالإضافة إلى ذلك، كان هناك المزيد من وحيدات النوى في القسطرة العارية مع البكتيريا (الشكل 5d v). بشكل عام، أظهرت هذه النتائج الواعدة جداً أن الطلاء بـ HS/DAC لديه القدرة على منع تشكيل التخثر المناعي وبكتيريميا المرتبطة بالقسطرات بشكل فعال.

تُعتبر thrombosis المهددة للحياة والعدوى البكتيرية الناتجة عن القسطرات القلبية تحديات سريرية كبيرة. تم استخدام عدة استراتيجيات مضادة للتخثر أو مضادة للبكتيريا، تصنف إلى الطلاء غير التساهمي والتطعيم التساهمي، لتعديل القسطرات القلبية الوعائية. . ومع ذلك، فإن تطبيقاتها محدودة بالتحضيرات التي تستغرق وقتًا طويلاً وعدم الاستقرار طويل الأمد في ظل بيئات فسيولوجية معقدة .

على عكس الطرق المذكورة أعلاه، قد توفر طلاءات HS/DAC لدينا حلاً متاحًا لهذه المشكلة. إن مركب HS/DAC القابل للذوبان في الدهون الذي تم تصنيعه يدرك الطلاء من خطوة واحدة على مختلف الأجهزة الطبية ذات التركيبات والأحجام والأشكال المختلفة دون تغيير نفاذية الركائز، مما يظهر إمكانيات كبيرة للاستخدامات العملية على نطاق واسع. في الوقت نفسه، يعزز الشبكة المتقاطعة التي تتشكل داخل طلاء HS/DAC بشكل كبير من الاستقرار الهيكلي كما تم إثباته تحت ظروف قاسية مختلفة في المختبر وأيضًا الأداء طويل الأمد في الجسم الحي.

علاوة على ذلك، تحتوي القسطرات التجارية الوظيفية عادةً على نشاط حيوي واحد، مثل القسطرات الطبية المحملة بالمضادات الحيوية لمكافحة البكتيريا أو المعدلة بالصوديوم الهيباريني للاستخدام المضاد للتخثر. لذلك، من الصعب حل مشاكل العدوى البكتيرية والتخثر في نفس الوقت. وفقًا لنظرية ديباي-هوكل، يمكن أن يضعف الإلكتروليت في البيئات الفسيولوجية التفاعلات الكهربائية ثنائية القطب بين HS وDAC، مما يؤدي إلى خاصية التفكك التكيفي لتلبية متطلبات كل من القدرات المضادة للتخثر والمضادة للبكتيريا. تُعزى الوظيفة المضادة للتخثر القوية لهذا الطلاء القابل للتكيف HS/DAC إلى قطع سلسلة التخثر، مما يمنع تنشيط Fg ومشاركة الخلايا الالتهابية. بهذه الطريقة، يمكن لطلاء HS/DAC تقليل الجلطة بنسبة لا تقل عن 60% على السطوح الخارجية والداخلية لقسطرات IV في المختبر وفي الجسم الحي. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسات في المختبر وفي الجسم الحي أن طلاء HS/DAC يمكن أن يقتل بفعالية أكثر من 97% من البكتيريا بطريقة القتل بالاتصال. بالمقارنة مع القسطرات التجارية المضادة للعدوى CVC (Arrowg + ard Blue)، تتمتع قسطرات CVC المطلية بـ HS/DAC بخصائص مضادة للبكتيريا مماثلة ويتم تقليل كمية تجلط الدم. الأهم من ذلك،

تكوين على القسطرة المصابة في الأوعية ونتائج الاختبار خارج الجسم. صور رقمية (i)، صور SEM للمقاطع العرضية (ii)، صور بصرية للبكتيريا الحية في الدم بعد الدورة الدموية (iii)، صور SEM للأسطح الداخلية (iv) واكتشاف المناعية الفلورية للوحيدات (v) للقسطرة العارية، القسطرة العارية المصابة، القسطرة المطلية بـ HS/DAC والقسطرة المطلية بـ HS/DAC المصابة. تم تكرار القياسات في (ii، iv، v) ثلاث مرات بشكل مستقل مع نتائج مشابهة. تم استخدام تحليل التباين الأحادي مع اختبار توكي بعد ذلك في (b، c). ns: لا يوجد فرق ذو دلالة إحصائية. في ب.
تم تقليل تكوين الجلطات المرتبطة بالعدوى والعدوى المرتبطة بالقسطرة بشكل كبير في نموذج أرنب خارج الجسم.

نتيجة لذلك، وبفضل هذه القدرات المرضية، يمتلك هذا المركب القدرة على توفير استراتيجية سهلة وفعالة لبناء طلاءات وظيفية للاستخدام طويل الأمد ضد العدوى المرتبطة بالقسطرة والجلطات. بالإضافة إلى قساطر القلب والأوعية الدموية، قد يصبح HS/DAC مادة طلاء لزراعة الأوعية الدموية الأخرى، بما في ذلك الصمامات الاصطناعية والدعامات. والأهم من ذلك، يمكن تصميم HS/DAC بشكل معياري وتعديله للحصول على طلاءات أكثر فعالية. باختصار، نتوقع أن تجد هذه الاستراتيجية في الطلاء تطبيقات واسعة في المواد الطبية الحيوية.

تم قطع عينات من الدرجة الطبية، بما في ذلك الأسطح المسطحة، والأنابيب أو أشكال أخرى، إلى الحجم المطلوب، وتم تنظيفها بالإيثانول والماء المقطر ثلاث مرات، وتجفيفها بالكامل. تم معالجة جميع العينات بالهواء البلازمي لمدة 5 دقائق للحصول على مجموعات الهيدروكسيل. تم هيدروكسلة الزجاج باستخدام محلول البيرانها وفقًا للإجراء الذي وصفناه سابقًا. باختصار، تم غمر الزجاج في محلول بيرانا (يتكون من حمض الكبريتيك المركز و بيروكسيد الهيدروجين بنسبة حجم ) وغليت لمدة ساعة واحدة. بعد ذلك، تم غمر العينات في محلول ثنائي كلورو ميثان HS/DAC ( ) لمدة دقيقة واحدة لبناء عينات مغطاة بـ HS/DAC. تم تجفيف العينات المغطاة بـ HS/DAC في درجة حرارة الغرفة لتبخر ثنائي كلورو الميثان. بعد ذلك، تم غسل العينات 3 مرات بالماء منزوع الأيونات وتم علاجها في لمدة 30 دقيقة. أخيرًا، تم تنظيف العينات المغلفة بـ HS/DAC بالموجات فوق الصوتية 3 مرات في الماء المنزوع الأيونات وتجفيفها في درجة حرارة الغرفة.

المتانة الكيميائية للطلاء. تم الحصول على عينات التحكم من مركب HS/QAC و TPU المغطاة بـ HS/QAC بنفس الطرق المذكورة أعلاه. لتحديد استقرار الطلاء في المحلول، تم غمر أفلام (HS/QAC)-TPU و (HS/DAC)-TPU في مجموعة متنوعة من المذيبات، بما في ذلك الأسيتات الإيثيلية، والهكسان، والجليكول الميثيلي، والجلسرين. في الماء) الكحول، محلول ملحي (محلول ملحي فيزيولوجي، 30 وزن) الحل وPBS)، و محلول بقيم pH مختلفة (من 4 إلى 9)، تليه عملية فوق صوتية قوية ) لمدة 3 ساعات. بعد ذلك، تم صبغ TPU قبل وبعد المعالجة بصبغة روز بنغال وملح الفلورسئين لمزيد من التصوير.

الاستقرار الميكانيكي للطلاء. تم ثني القسطرات المطلية بـ HS/QAC و HS/DAC يدويًا في نفس الوقت إلى لـ 500 مرة. تم توصيف التغيرات الشكلية للطلاءات بعد الانحناء باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.

استقرار الطلاء تحت ظروف قاسية. تم غمر العينات في النيتروجين السائل لمدة ساعة واحدة أو تم معالجتها بدرجة حرارة عالية وضغط عالٍ. ) لمدة 30 دقيقة. ثم تم مراقبة التغيرات الشكلية للطلاءات باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح.

استقرار الطلاء في محلول ملحي تحت حضانة التدفق. أفلام TPU ( ) مع أو بدون طلاء تم وضعها في قناة أنبوب السيليكون المستقل بقطر داخلي يبلغ 0.3 سم. بعد ذلك، تم استخدام مضخة بيرستالتية (LEAD FLUID، BT101 L) لربط أنبوب السيليكون. تم حقن محلول ملحي عادي في المضخة البيرستالتية لتشكيل نظام حلقة مغلقة، ومعدل تدفق تم إعداد min لمحاكاة تدفق الدم الوريدي. الأفلام العارية والأفلام المطلية بـ HS/DAC. تم نقع العينات عند 0 و10 و30 يومًا في محلول روز بنغال (9.8 مللي مول) لمدة 3 دقائق، ثم أُزيلت وغُسلت بالماء النقي. تم تسجيل تقشر الطلاء من خلال صور رقمية. بالإضافة إلى ذلك، تم إعادة إذابة الصبغة الممتصة على الطلاء في الإيثانول، وتم قياس قوة امتصاصها عند 548 نانومتر.

استقرار الطلاء في الجسم الحي. تم إجراء جميع الإجراءات الحيوانية وفقًا لإرشادات رعاية واستخدام الحيوانات المخبرية التابعة للأكاديمية الصينية للعلوم وتمت الموافقة عليها من قبل لجنة أخلاقيات الحيوانات في معهد تشانغتشون للكيمياء التطبيقية، الأكاديمية الصينية للعلوم (رقم 20210027). إناث الجرذان من نوع سبرايج-داولي (جرذان SD، “ كانت في عمر أسابيع) تم الاحتفاظ بها في درجة حرارة محيطة من رطوبة وفترة ضوئية مدتها 12 ساعة من الضوء داكن. بالإضافة إلى ذلك، يتم إعطاء نظام غذائي قياسي وماء. تم زراعة أفلام TPU المغلفة بـ HS/DAC أو العارية بقطر 0.8 سم في الأنسجة تحت الجلد على جانبي ظهر الفئران SD. بعد 10 و30 يومًا من الزراعة، تم إزالة العينات وغسلها. تم إجراء تجربة التلوين كما هو موضح أعلاه.

تم بناء الدورة الدموية خارج الجسم كنموذج لتوصيل الشرايين والأوردة وفقًا للإجراء المبلغ عنه. أربعة أرنب نيوزيلندي أبيض بالغ تم تخديرهم بشكل عام. تم عزل الشريان السباتي الأيسر والوريد الوداجي الخارجي الأيمن للأرانب وربطهما لبناء الدورة الدموية خارج الجسم. كانت جميع المواد معقمة. تم تسمية القسطرات العارية والقسطرات المطلية بـ HS/DAC التي تم تعقيمها دون معالجة بكتيرية بـ “العاري” و “المطلي”، على التوالي. تم تحضين القسطرات العارية والقسطرات المطلية بـ HS/DAC مع S. aureus. ) لمدة 3 ساعات في تمت تسمية العينات بأسماء Bare + Bacteria و Coating + Bacteria. تم اختبار العينات الأربع على نفس الأرانب لتقليل الأخطاء النظامية. لتجنب تأثير البكتيريا، قمنا أولاً بتجميع عينات Bare أو Coating في التحويلة الشريانية الوريدية للأرنب. بمجرد انسداد القسطرة، يتم إنهاء التجربة وإزالة الوصول إلى القسطرة بعناية. في الوقت نفسه، تم توصيل الدورة المجمعة التي تحتوي على عينات Coating + Bacteria و Bare + Bacteria إلى التحويلة الشريانية الوريدية بشكل منفصل. تم غسل العينات بلطف 3 مرات بمحلول PBS وتم وزنها. تم ملاحظة تكوين الجلطة على اللمعة والسطح بواسطة كاميرا رقمية وSEM. بالإضافة إلى ذلك، تم جمع القسطرات والدم من كل خط دورة للكشف عن البكتيريا القابلة للحياة الملتصقة على السطح وفي الدم. باختصار، تم غمر القسطرات في محلول PBS للعلاج بالموجات فوق الصوتية. بعد تم أخذ عينة من المحلول لعد المستعمرات. قسم من الأنبوب ( تم اعتراض العينة المجاورة للقسطرة باستخدام مشبك هيموستاتي. ثم تم إزالة الدم أو الجلطات من الأنبوب. تم إضافة 1 مل من PBS للموجات فوق الصوتية وعدّ المستعمرات. تم ملاحظة الكشف عن المناعية الفلورية للوحيدات على سطح مجموعات العينات المختلفة بواسطة CLSM. تم تثبيت قطع القسطرة في 4% من البارافورمالدهيد وشُطفت بـ PBS. تم حضانة هذه القطع في أجسام مضادة أولية ضد الوحيدات (مضاد CD14، 1:1000) لمدة ساعة واحدة. تم شطف العينات بـ PBS وتمت حضانتها لمدة 1.5 ساعة في جسم مضاد ثانوي مترافق مع الفلورسنت (lgG (H+L)، مضاد الأرنب المسمى بألكسا فلور 555، 1:200). أخيرًا، تم شطف الأنابيب الملونة وتجفيفها بالتجميد وتمت ملاحظتها بواسطة CLSM.

تم إجراء كل تجربة مع قياسات مكررة لا تقل عن ثلاث. تُعرض البيانات كمتوسطات الانحرافات المعيارية (تعني تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام برنامج Origin 2020 وMicrosoft Excel. تم استخدام تحليل التباين أحادي الاتجاه (ANOVA) متبوعًا باختبار توكي بعد الاختبار للتحليل الإحصائي بين مجموعات متعددة، وتم استخدام اختبار t لعينتين من طلاب لت comparisons بين عينتين.

معلومات إضافية حول تصميم البحث متاحة في ملخص تقارير مجموعة ناتشر المرتبط بهذه المقالة.

جميع البيانات متاحة في النص الرئيسي، المعلومات التكميلية، أو ملف بيانات المصدر. يتم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة. إذا كانت هناك حاجة إلى أي ملفات بيانات خام بتنسيق آخر، فهي متاحة من المؤلف المراسل عند الطلب. يتم توفير بيانات المصدر مع هذه الورقة.

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم المنحة 51973221، هـ.س.، 52293384، س.ل.)، جمعية تعزيز الابتكار للشباب في الأكاديمية الصينية للعلوم (رقم المنحة Y2O21O66، هـ.س.)، الوطنية

برنامج البحث والتطوير الرئيسي في الصين (رقم المنحة 2021YFC2101700، X.Z.)، برنامج التنمية العلمية والتكنولوجية في مقاطعة جيلين (رقم المنحة 20220508090 RC، H.S.)، وبرنامج البحث والتطوير التكنولوجي المتقدم لمجموعة CAS-WEGO (S.L.).

اقترح S.L. و H.S. وأشرفا على المشروع. صمم L.L. و H.Y. التجربة وشاركا في المشروع بالكامل. ساعد X.Z. في إنشاء تجارب الحيوانات. كتب L.L. و H.Y. و L.W. و H.S. المخطوطة. ساهم L.W. و S.L. و H.S. في المناقشات حول النتائج. ساهم L.W. و D.Z. و X.D. و J.Y. و H.S. في التصور. جميع المؤلفين قد وافقوا على النسخة النهائية من المخطوطة.

يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

معلومات إضافية النسخة الإلكترونية تحتوي على
المواد التكميلية متاحة على
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44478-3.
يجب توجيه المراسلات والطلبات للحصول على المواد إلى شيفانغ لوان أو هينغتشونغ شي.

تود مجلة نيتشر كوميونيكيشنز أن تشكر مات ج. كيبير، مانفريد مايتز، ماريا صوفيا رافاييلي، والمراجع الآخر المجهول على مساهمتهم في مراجعة هذا العمل. يتوفر ملف مراجعة الأقران.

معلومات إعادة الطباعة والتصاريح متاحة على
http://www.nature.com/reprints

ملاحظة الناشر: تظل شركة سبرينجر ناتشر محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي النسب 4.0 الدولية، التي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع والاستنساخ بأي وسيلة أو صيغة، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا تم إجراء تغييرات. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمواد. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارةhttp://creativecommons.org/رخص/بواسطة/4.0/.
© المؤلف(ون) 2024

Received: 26 October 2022
Accepted: 14 December 2023

Published online: 02 January 2024
(A) Check for updates

Intravascular (IV) catheters are widely used in the clinic to diagnose and treat acute and chronic diseases, especially for patients with heart disease, cardiovascular disease, cancer, and so on . Approximately 90% of patients admitted in hospital require short- or long-term IV catheters to deliver medications, nutrient solutions, and blood . More than 5 million central venous catheters (CVCs) are applied to treat cancer in the USA . However, the widespread use of IV catheters may largely increase the occurrence of life-threatening complications, such as catheter-related bloodstream infections (CRBIs) and catheter-related thrombosis (CRT) . Blood clots on the surfaces of catheters may also lead to device dysfunction and block blood circulation, resulting in
deep vein thrombosis with high mortality . For instance, deep vein thrombosis associated with CRT accounts for of CRTs in adults and in children . In addition to CRT and CRBIs, bacteria introduced during the implantation of IV catheters could lead to bacteremia-caused disease due to the formation of biofilms , such as endocarditis . Although great efforts have been devoted to preventing bacterial infection , the mortality rate of CRBIs remains high at annually in the United States . Importantly, CRBIs and CRT are complex and interlinked . Bacterial toxins can cause clots to form , and thrombi can easily result in bacterial adherence to enhance the formation of biofilms due to their components, such as

fibrin and fibronectin . Bacterial colonization rates on catheters with thrombosis were almost double ( vs. 19.4%), and the catheter sepsis rates were increased ( vs. 7%) . Despite significant efforts , the interrelationship between infectious and thrombotic complications remains unclear, causing serious clinical challenges, and an effective approach to treat CRBIs and CRT simultaneously is urgently needed.

Normally, a common strategy to treat infection and thrombi in the clinic is to administer antibiotics and intravenous heparin (HS) prior to or immediately following catheter implantations. However, the generation of antibiotic-resistant bacteria and heparin-caused thrombocytopenia are still challenges for these treatments . Thus, constructing functional IV catheter devices with antibacterial and antithrombin effects may be a more appealing approach to decrease CRT or CRBIs. Antibacterial catheters can be obtained by chemically modifying cationic polypeptides , quaternary ammonium compounds and other cationic moieties . Thrombi can be reduced by coating with heparin, corn trypsin inhibitor, and thrombomodulin . However, commercially available approaches to treat both CRBIs and CRT are lacking due to the complexity and interrelation of CRBIs and CRT. More importantly, the potential interrelationship between CRBIs and CRT is usually ignored . Additionally, the diversity of catheters with various lumens and narrow and long bores could further increase the difficulty of forming coatings. Covalent grafting, which is used to construct robust coatings, usually involves a rigorous process. In contrast, noncovalent coatings with rapid and facile features may be limited by the poor stability under complex physiological environments, including variations in ionic strength, pH , temperature, etc . Hence, a robust (i.e., displaying long-term stability for up to 30 days in diverse environments), modular (structural and compositional flexibility), and adaptable (stimulus-responsive) coatings should be developed to obtain functional catheters with both antibacterial and antithrombotic properties to simultaneously treat CRBIs and CRT.

Herein, we report a concise and straightforward route to construct a long-lasting (30 days) and adaptable coating that combines the high antithrombin ability of HS and good antibacterial feature of dimethyloctadecyl[3-(trimethoxysilyl)propyl]ammonium (DAC) to synergistically treat CRBIs and CRT. As depicted in Fig. 1, polyanionic HS-Na can coassemble with DAC-CI to generate HS/DAC aggregates via a one-step reaction. Due to its high adhesiveness, the liposoluble HS/ DAC coating can adsorb tightly on substrates, exhibiting great promise for use in various IV catheters, such as metre-long and thin catheters. After heating, the formation of cross-linked networks between HS/DAC coatings and substrates could further enhance the structural stability even under various extreme environments and mechanical bending. Meanwhile, salts could weaken the electrostatic dipole-dipole interactions among intrachain of HS/DAC. More functional groups in HS/ DAC, such as sulfamate, sulfonate and carboxyl groups of HS and quaternary ammonium groups of DAC, are exposed in electrolyte solution. The exposed hydrophilic groups are more conducive to reducing the thrombus adhesion rate ( ) in acute canine models and also exhibit a broad-spectrum antibacterial performance against Staphylococcus aureus (S. aureus) and Escherichia coli (E. coli). Moreover, we also verified that this coating could largely decrease bacterial infections and thrombus caused by catheter implantation in an ex vivo rabbit model, which has rarely been reported.

We first prepared the HS/DAC complexes via a concise and direct selfassembly process (Supplementary Fig. 1). With increasing alkyl chain length of DAC from 1 to 18, a lower concentration was needed to generate water-insoluble aggregates (Supplementary Fig. 2). Owing to the strong hydrophobic interactions, DAC with alkyl chain length of 18 could generate more water aggregates than the other groups
(alkyl chain ) at the same concentration of , and this DAC complex was chosen for the following characterizations. Compared with HS, the HS/DAC complex generated new infrared characteristic bands (such as the absorption of DAC at ) and new peaks in X-ray photoelectron spectra (XPS, such as of DAC at 101 eV ), indicating that the HS/DAC complex was successfully synthesized (Supplementary Fig. 3). Good solubility in organic solution should also be considered when constructing uniform coatings, particularly for IV catheters with complicated compositions and shapes. As shown in Supplementary Fig. 4, the liposoluble HS/DAC complex can form a clear solution in dimethyl sulfoxide, dichloromethane, and toluene, which is ascribed to the long alkyl groups and electrostatic screening effect.

Given its water-insoluble yet liposoluble characteristic, the HS/ DAC complex serves as an optimal candidate for rapidly generating uniform coatings via a facile dip coating method. As shown in Supplementary Fig. 5a, the HS/DAC complex initially attached to the hydroxylated thermoplastic polyurethane (TPU) surfaces via intermolecular interactions, and a robust coating could be obtained by a heat treatment to form chemical cross networks among the hydrolysable alkoxysilane of HS/DAC and the hydroxy groups in substrates, DAC, or HS. Water contact angles, XPS, and Fourier Transform Infrared (FTIR) were used to confirm the formation of HS/DAC on the TPU surfaces (Fig. 2a and Supplementary Fig. 5b, d) . After a heat treatment, a new band at appeared in the FTIR spectrum of the (HS/DAC)-TPU, belonging to an asymmetrical telescopic vibration of Si-O-Si. Obvious changes in absorption intensity at and were attributed to the formation of associated bands, including , or . Compared with the bare TPU, no noticeable changes in roughness were observed in the formed HS/DAC coating (Fig. 2b), and its thickness was approximately 170 nm (Fig. 2c). Additionally, more than transmittance was maintained in HS/DACcoated TPU, suggesting that the formed coating exhibits good optical transparency and is an ideal coating material for medical devices (Fig. 2d).

Due to the complex shapes and clinical environments of applied medical devices, coating materials must involve facile manufacturing methods and exhibit long-term robustness. To demonstrate this, the HS/DAC complex was utilized to form coatings on various medical devices regardless of the composition and shape via the staining method (Fig. 2e), including polyurethane multi-lumen CVCs, polyvinyl chloride (PVC) hemodialysis catheters, glass and slender catheters (metre-long, outside diameter ). Next, the interfacial bonding strength of the coating under different extreme environments was evaluated by using fluorescent probes. A common quaternary ammonium salt without a siloxanyl functional group (stearyl trimethyl ammonium chloride, QAC-CI) was used to prepare the HS/QAC complex as a control. The chemical stabilities of (HS/DAC)-TPU and (HS/ QAC)-TPU control under simulated environments, including salts, organic solvents, and pH values, were monitored by the colour or fluorescent changes of Rose Bengal and fluorescein sodium detectors, respectively. After 3 h of ultrasound in the simulated solution, the noncovalently fixed HS/QAC coating detached significantly, especially in high-concentration salt solutions and disinfectants. In contrast, the (HS/DAC)-TPU with strong chemical cross-linking bonds exhibited uniform and changeless colour or fluorescent distributions under all tested conditions (Fig. 2f i and Supplementary Fig. 6). Additionally, scanning electron microscopy (SEM) images were obtained to visualize the morphology changes in the coating under extreme challenges, confirming the mechanical stability of HS/DAC coating. After bending to for 500 times, HS/DAC-coated catheter showed little delamination or cracking, but large amounts of delamination and cracks were present on the surface of the HS/QAC-coated catheter control (Fig. 2f ii). After (HS/DAC)-TPU underwent autoclaving ( ) or was exposed to liquid nitrogen for 30 min , no peeling was observed and

Fig. 1 | Schematic illustration showing the formation and application of HS/ DAC-coated CVCs with robust, antibacterial and antithrombotic properties.
a llustration of the procedure used to prepare the HS/DAC complex and HS/DAC
coating. Dissociation properties of HS/DAC coatings and the resulting antibacterial and antithrombotic capabilities. c Multifunctionality of HS/DAC-coated IV catheters, such as robustness and antibacterial and antithrombotic capabilities.
the coating was intact (Fig. 2f iii). We further explored the long-term stability of HS/DAC coating in flowing via a multichannel circulation model and in vivo stability via a subcutaneous implantation model, respectively. Compared with the untreated HS/DAC coating, the absorbance of the labeled coating decreased by 1.8 times and 3 times after flow incubation and implantation in vivo for 30 days (Supplementary Fig. 7).

The formation of CRT is a multi-component pathology after catheter implantation into blood vessels, such as various coagulation factors, proteins, blood cells, and inflammatory cells, etc . Therefore, the anticoagulant mechanism of the coating was firstly investigated by exploring the relationship between the surface and the coagulation cascade, protein, and inflammatory cells.

Fig. 2 | Preparation and characterization of the HS/DAC coating. a Schematic illustration of the condensation process of the HS/DAC coating after heating and the corresponding changes in associated bands in the FTIR. The roughness of bare TPU and HS/DAC-coated TPU film via AFM (mean SD, independent samples). c SEM images of cross sections of bare TPU and HS/DAC-coated TPU films. Measurements were repeated four times independently with similar results.

As previously demonstrated , HS catalyzes the activity of the serpin antithrombin III and forms hydration layers to obtain antithrombin activity. The conformation of antithrombin III changes after binding to HS, which can greatly inhibit the coagulation factor Xa (FXa) and thrombin (FIIa). To examine the anticoagulant activity of the HS/ DAC coating, chromogenic anti-FXa and anti-FIla assays were used. Compared with TPU and DAC-TPU, (HS/DAC)-TPU reduced the substrate conversion by and , respectively (Fig. 3a, b), indicating that (HS/DAC)-TPU significantly inhibited FXa and FIIa. Therefore, the HS/DAC coating may inhibit the formation of thrombi by cutting off some coagulation pathways.

Fibrinogen (Fg) activation to fibrin is the final step of the coagulation cascade, in which the hydrolysis of thrombin plays a crucial role. HS/DAC coating has been proven to have a high inhibitory effect on thrombin activity. Then, the adhesion/activation of Fg were further investigated through a closed circular tube loop of whole blood (Supplementary Fig. 8a). FITC-Fg was added to fresh blood and cycled
with samples for 2 h to study Fg adhesion. Confocal laser scanning microscopy (CLSM) images indicated that Fg was less adhered in the HS/DAC-coated catheter than the bare catheter (Fig. 3d). On the contrary, negligible differences were observed in the amount of bovine serum albumin (BSA) by bicinchoninic acid (BCA) assay when samples soaked in PBS solution of BSA (Fig. 3c). It is speculated that this different phenomenon is related to the activation of Fg. Conformational changes in Fg structure during Fg activation to form a fibrin network result in exposure of multiple binding sites. These binding sites can bind to various proteins, causing protein adsorption. Hence, the effect of HS/DAC coating on Fg activation after 2 h of circulation in whole blood was investigated by assessing the exposure of the chain via the immunofluorescence staining method. As shown in Fig. 3d, HS/DACcoated catheters expose significantly less chains compared to bare catheters.

Adherent Fg or platelets can promote the adhesion of leukocytes. Leukocytes, in turn, enhance the activation of local platelets and

Fig. 3 | Evaluation of the anti-thrombotic ability of the HS/DAC coating in vitro and in vivo. a Anti-FXa and anti-FIla assays of the anticoagulant activity of heparin on the HS/DAC-coated TPU (mean SD, independent samples). c Amounts of BSA adsorbed on bare and HS/DAC-coated TPU. The sample was immersed in BSA solution and the adsorption of proteins was determined by a BCA protein assay kit (mean SD, independent samples). d CLSM images of Fg adhesion, activation, and leukocytes adhesion on the surface of bare catheters and HS/DAC-coated catheters. Measurements were repeated three times independently with similar results. FITC-Fg was added to fresh whole blood and cycled with samples through a closed circular tube loop for 2 h in the assay of Fg adhesion and activation.

Leukocyte adhesion was detected via immunofluorescent. e Schematics of the antithrombotic mechanism of HS/DAC-coated catheters. Digital and SEM images of the thrombus on the bare and HS/DAC-coated CVC catheters in the acute canine model in vivo ( independent samples). Measurements were repeated three times independently with similar results. Process by which the electrostatic interaction of the HS/DAC coating dissociates and the results of WCA (mean SD, independent samples) and ATR-FTIR spectra of HS/DAC-coated TPU before and after treatment with PBS. One-way ANOVA with Tukey’s post hoc test was used in (a, b). Two-sample Student’s t test was used in c. ns: no significant difference. in c.
participate in the formation of thrombus . Therefore, monocytes, lymphocytes and neutrophils, as typical inflammatory cells, were selected to explore the leukocytes adhesion. Benefiting to the strong ability of HS/DAC coatings to reduce Fg activation, a large number of inflammatory cells passively trapped in fibrin clots were observed only on the surface of the bare catheter (Fig. 3d and Supplementary Fig. 8b). In summary, HS/DAC coating can avoid Fg activation due to the inhibition of thrombin and other coagulation cascade proteases, and also reduce the adsorption of inflammatory cells (Fig. 3e). The anticoagulant mechanism indicated that the HS/DAC coating has great potential to reduce thrombosis.

Anticoagulant coatings have important significance and application in various blood-contact medical devices. Firstly, the anticoagulant function of HS/DAC coating was explored by clotting time in vitro. HS/DAC-coated glass bottles have the longest clotting time in recalcified blood compared to bare glass bottles, indicating the potential of the coating for anticoagulant vascular applications (Supplementary Fig. 9a, b). Compared to commercial infection-resistant CVC catheter (Arrowg + ard Blue), the thrombus mass of HS/DACcoated CVC decreased by 62.5% through a closed circular tube loop of whole blood (Supplementary Fig. 9c). This indicated that the HS/DAC coating has potential advantages in inhibiting thrombosis and avoiding side effects caused by heparin injection methods in the clinic.

To further demonstrate the delayed clotting of HS/DAC-coated catheters, an ex vivo circuit model was carried out. The bare catheters and HS/DAC-coated catheters were implanted in three rabbits via an arteriovenous shunt model (Supplementary Fig. 10a) . In the image of the HS/DAC-coated catheter, a noticeable reduction was observed in thrombi and occlusion formation compared with that of the bare catheter (Supplementary Fig. 10b), and the mass of the thrombus was reduced by 85% (Supplementary Fig. 10c).

Then beagle canines, which are more consistent with acute thrombosis, were selected as animal models to illustrate the antithrombotic properties of HS/DAC-coated commercial CVCs in vivo. Commercial CVC and HS/DAC-coated CVC were aseptically inserted into the left and right jugular veins of three canines, respectively (Supplementary Fig. 11a). After 24 h of implantation, the jugular vein was removed and opened lengthwise. Few thrombi could be observed on HS/DAC-coated CVCs, but substantial visual thrombi were observed on the tip, side hole, and lumen of bare CVCs, which could cause CVCs to fail (Fig. 3f). Compared with commercial bare CVC, HS/DAC-coated CVC reduced the mass of thrombus by (Supplementary Fig. 11b).

The long-lasting antithrombotic stability of HS/DAC coating is another crucial for the implantation of medical catheters. Therefore, the antithrombotic stability of HS/DAC-coated TPU and its HS/QAC control was initially investigated via chromogenic assays of anti-FXa and anti-Flla after incubated in solution of 30 days. Contributing to the strong covalent bonding of HS/DAC coating, the inhibitory activity against FXa and FIIa was maintained well even after one month (Supplementary Fig. 12). The hydrodynamic behavior in the human body is also a challenge to the stability of the coating. Therefore, we further investigated the long-term antithrombotic stability of HS/DAC coatings in artificial blood with shear rates of and (Supplementary Fig. 13a). The HS/DAC-coated catheter can still reduce thrombosis by when the shear rate of artificial blood increased to (Supplementary Fig. 13b). Finally, a rat subcutaneous implantation model was established to verify the antithrombotic stability of HS/DAC coating in vivo. Compared with the blank group, the weight of thrombus on the HS/DAC-coated surface was decreased by more than after 30 days of implantation (Supplementary Fig. 13c, d).

The antithrombotic function of the HS/DAC coating may be originated from its self-adaptivity in salt solution. After the gradual dissociation of HS/DAC fixed on the substrate, more functional groups including sulfamate, sulfonate, and carboxyl groups of HS were exposed to realize the antithrombotic performance. To verify this
salt-triggered effect, we examined the physicochemical properties of the HS/DAC coating before and after treatment in salt solution. The self-adaptivity of (HS/DAC)-TPU was characterized by static water contact angles, FTIR and XPS. After incubation with PBS solution, the contact angle of (HS/DAC)-TPU decreased significantly, and the band of the carboxyl group shifted from 1609 to , which was attributed to the destruction of electrostatic interactions between the carboxyl groups and the quaternary amine groups (Fig. 3g and Supplementary Fig. 14).

CRBIs are another serious complication that increases the risk of mortality with implanted IV catheters . S. aureus and E. coli were selected as model microorganisms to evaluate the broad-spectrum antibacterial property of the HS/DAC coating. As shown in Fig. 4a and Supplementary Fig. 15, the agar plate colony counting assay revealed that the HS/DAC-coated TPU surfaces exhibit high bactericidal rates (above and ) against S. aureus and E. coli via a contactkilling mode. SEM and CLSM images were further used to study the morphological changes in S. aureus and E. coli on (HS/DAC)-TPU. For bare TPU, numerous . aureus and . coli with intact cell morphology are present on the film surface, resulting in a great tendency to form biofilms (Fig. 4b and Supplementary Fig. 16a). In contrast, the attached bacteria on the (HS/DAC)-TPU exhibited shrunken, empty and engulfed morphologies, and some intracellular matter flowed out of the bacteria. This broad-spectrum antibacterial property of the HS/ DAC coating can be ascribed to the long lipophilic alkyl chain of DAC, which could penetrate the cell walls and membranes of bacteria, causing autolysis . Similar to commonly used commercial antiinfective CVC catheters, the bactericidal rate of (HS/DAC)-CVC against S. aureus was also greater than 99% (Supplementary Fig. 16b).

The antibiofilm activity of (HS/DAC)-TPU was further investigated by extending the coincubation time of the sample with bacteria. As shown in Supplementary Fig. 17a, b, (HS/DAC)-TPU was mostly free from bacterial colonization, and no trace of mature biofilm was found. Compared to the bare TPU, (HS/DAC)-TPU reduced the biofilm coverage by at 48 h .

Additionally, bacterial colonization on the lumen surfaces of catheters is another factor that causes CRBIs . Thus, the antibacterial property of the (HS/DAC)-catheter under static and dynamic flow conditions was further demonstrated. In contrast to the bare catheter under static conditions, approximately of the bacteria in the lumen surface of the (HS/DAC)-catheter died (Fig. 4c). For the dynamic flow test, the PVC catheter was simulated as blood vessels, and LB continuously flowed through the catheter that was pre-inoculated with bacteria (Fig. 4d). A great number of bacteria adhered to the lumen surfaces of bare catheters at 24 h , and white biofilms were deposited on the lumen surfaces of the catheter when the flow time was extended to 48 h . However, only a few live bacteria were observed on the (HS/ DAC)-catheter and PVC tubes of the (HS/DAC)-catheter channel with a higher transparency (Fig. 4e and Supplementary Fig. 17c).

To simulate in vivo environments, a mouse subcutaneous implantation model of bacterial infection was designed. An indwelling catheter ( 24 G , TPU) inoculated with S. aureus was implanted into two sides of the mouse back ( ). After 5 days, a serious purulent phenomenon was observed in the incisions surrounding the bare catheters, while no obvious infection occurred surrounding the HS/DACcoated catheters (Fig. 4f). Great amounts of live bacteria dispersed in tissue for bare catheter implantation, but few were detected in HS/ DAC-coated catheters (Supplementary Fig. 18a). Hematoxylin and eosin (H&E) staining of the tissue surrounding the catheters further demonstrated that extensive neutrophil granulocytes and lymphocytes were present in the bare catheter groups. Proinflammationassociated factors of TNF- and IL-6 in the tissue were studied to

further confirm the inflammation regulation prompted by bacterial infection. As shown in Fig. 4g, the detected factors were significantly reduced in the HS/DAC-coated catheter, which is consistent with the histological assay results.

CVC catheters are usually implanted for approximately weeks. Hence, the long-lasting antibacterial property of the HS/DAC coating should also be considered for the effective prevention of
catheter-related infection in vitro and in vivo. Compared to the (HS/QAC)-catheter, the (HS/DAC)-catheter still maintained its original antibacterial activity even after one month of treatment in at (Fig. 4 h and Supplementary Fig. 18b). Next, the long-term antibacterial stability of HS/DAC coating in artificial blood with a shear rate of and was investigated by using the multichannel circulation system. As shown in Fig. 4i, the bactericidal rate was still as

Fig. 4 | Evaluation of the antibacterial property of the HS/DAC coating in vitro and in vivo. a Antibacterial activity of the HS/DAC coatings against . aureus and . coli via agar plate colony counting (mean SD, independent samples). b SEM and CLSM images of bacteria on the surface of bare TPU and HS/DAC-coated TPU films after culture with S. aureus or E. coli for 24 h at . Measurements were repeated three times independently with similar results. c Agar plate colony counting assay of the lumen surfaces of catheters under static conditions (mean SD, independent samples). d Schematic diagram of the antibacterial dynamic flow test and e corresponding images of catheters at different times. f Antibacterial property of the HS/DAC coating in vivo, including digital images of infection around the implant site, H&E staining and colony count (mean SD,
independent samples). Measurements were repeated three times independently with similar results. Quantitation of cytokines in the tissue at the implantation position (mean SD, independent samples). The amounts of live bacteria on the inner surface of the catheter with the HS/QAC control coating or HS/DAC coating shocked with for and 30 days (mean SD, independent samples). i The long-term antibacterial stability of HS/DAC coating in artificial blood with shear rates of 0,30 , and after 30 days of flow (mean SD, independent samples). The antibacterial stability of the HS/DAC coating after implantation in vivo for 0,10 and 30 days (mean SD, independent samples). Two-sample Student’s test was used in (a, c, g). One-way ANOVA with Tukey’s post hoc test was used in (i, j). ns: no significant difference. in i.
high as 97% even if flowing in artificial blood with high shear rate for 30 days. Furthermore, the long-term antibacterial stability in vivo was further explored in a rat subcutaneous implantation model. Agar plate colony counting assay demonstrated that the HS/DAC coating exhibited a good bactericidal rate ( ) after 30 days of implantation (Fig. 4j).

Biocompatibility is a fundamental requirement for biomedical materials, and we firstly performed a Cell Counting Kit-8 (CCK-8) test to determine the cytotoxicity of HS/DAC. As shown in Supplementary Fig. 19a, cell viability was greater than regardless of whether the extracts of (HS/DAC)-TPU or (HS/DAC)-TPU contact with the cells. However, (HS/QAC)-TPU control showed obvious cytotoxicity, especially as low as when in direct contact with cells. These above results indicated that the formation of crosslinked networks in HS/DAC coating can greatly improve cell compatibility. To further illustrate the biocompatibility in vivo, the histocompatibility of bare and HS/DACcoated catheters was investigated by a subcutaneous implantation model in six mice and a vasculature model in three acute canines. The HS/DAC-coated catheter maintained similar inflammatory levels to the bare catheter via H&E staining, indicating no obvious inflammation (Supplementary Fig. 19b). Negligible changes in IL-6 and TNF- further confirmed the good biocompatibility of the HS/DAC-coated catheters in mice (Supplementary Fig. 19c). Additionally, histopathological analysis of the vasculature of canine models via H&E staining indicated that implanted catheters in blood vessel did not cause an obvious inflammatory reaction (Supplementary Fig. 19d).

The reciprocal feedback pattern established between the biofilm and the thrombus can lead to serious diseases . Typically, bacteria introduced during catheter implantation can influence individual coagulation and activate blood clotting by releasing a variety of exotoxins to induce the activation and aggregation of platelets and smooth muscle contraction (Supplementary Fig. 20a). However, few catheter-related bacteremia and catheter infection-related thrombi are considered. Therefore, an ex vivo circulation model of closed-loop catheters in rabbits was established to demonstrate the better performance of our HS/DAC coating (Fig. 5a). The amount of thrombus on the bare catheter was much higher than that on the HS/DAC-coated catheter in four rabbits, especially on the bare catheter inoculated with bacteria (Fig. 5b). The area of thrombus was counted by ImageJ V1.49 software. As shown in Fig. 5c, the HS/DAC-coated catheter reduced the thrombosis-blocking rate by , indicating that the HS/DAC coating could effectively prevent thrombus formation regardless of the presence of bacteria. Digital images and SEM images of the cross-section also showed a massive macroscopic thrombus on the bare catheters. In particular, the occlusion of the lumen was serious in the bare catheter with bacteria (Fig. 5d i and ii). These results suggested that the presence of bacteria on the catheter may accelerate the formation of thrombi. Subsequently, the adhesion of bacteria on the surface of catheters and in the circulation was investigated by colony counting. A large number of bacteria can be clearly observed on the bare catheter inoculated with bacteria. Meanwhile, a severe thrombosis and bacteria
were detected in the blood of the circulation line of bare catheter inoculated bacteria (Fig. 5d iii and Supplementary Fig. 20b, d). In addition, compared to the thrombus formed on the bare catheter, the bare catheter inoculated with bacteria promoted the formation of fiber and fibrin sheaths (Fig. 5d iv), which are associated with biofilm formation . The coagulation system is activated and forms immunothrombosis by the interaction of innate immune cells and platelets to limit the spread of bacteria in the bloodstream when pathogens invade the bloodstream . The attachment of monocytes on catheters was further tested by immunofluorescence detection. Many monocytes were found in bare catheters, while few cells were found in HS/DAC-coated catheters. Additionally, there were more monocytes in the bare catheter with bacteria (Fig. 5d v). Overall, these very promising results demonstrated that the HS/DAC coating has the potential to effectively prevent the formation of immunothrombosis and catheterrelated bacteremia.

Life-threatening thrombosis and bacterial infections caused by cardiovascular catheters are significant clinical challenges . Several antithrombotic or antibacterial strategies, classifying into noncovalent coating and covalent grafting, have been used to modify cardiovascular catheters . However, their applications are limited to timeconsuming preparations and poor long-term stability under complex physiological environments .

In contrast to those methods mentioned above, our HS/DAC coatings may provide an available resolution for this issue. Assynthesized liposoluble HS/DAC complex realizes the one-step coating on various medical devices with different compositions, sizes, and shapes without changing the transmittance of substrates, which shows great potential for large-scale practical usages. Meanwhile, the formed cross-linked network within HS/DAC coating significantly enhances the structural stability as demonstrated under various extreme conditions in vitro and also long-term performance in vivo.

Furthermore, commercial functional catheters usually have a single bioactivity, such as medical catheters loaded with antibiotics for antibacteria or modified with heparin sodium for antithrombotic usage. Therefore, it is difficult to solve bacterial infections and thrombosis simultaneously. According to Debye-Hückel theory, the electrolyte in physiological environments could weaken the electrostatic dipole-dipole interactions between HS and DAC, leading to the adaptive dissociation feature to meet the requirements of both antithrombotic and antibacterial capabilities. The strong antithrombotic function of this adaptable HS/DAC coating is attributed to the cutting off coagulation cascade, inhibiting Fg activation and inflammatory cell participation. In this way, the HS/DAC coating can reduce the thrombus by at least 60% on the outer and inner surfaces of IV catheters in vitro and in vivo. Moreover, in vitro and in vivo studies demonstrated that the HS/DAC coating can effectively kill more than 97% of bacteria by a contact-killing mode. Compared with commercially available anti-infective CVC catheters (Arrowg + ard Blue), HS/ DAC-coated CVC catheters have comparable antibacterial properties and the amount of blood clot is reduced by . More importantly,

formation on infected catheters in vessels and the results of the ex vivo test. Digital images (i), SEM images of cross-sections (ii), optical images of live bacteria in blood after circulation (iii), SEM images of inner surfaces (iv) and immunofluorescence detection of monocytes (v) of the bare catheter, infected bare catheter, HS/DACcoated catheter and infected HS/DAC-coated catheter. Measurements in (ii, iv, v) were repeated three times independently with similar results. One-way ANOVA with Tukey’s post hoc test was used in (b, c). ns: no significant difference. in b.
the formation of infection-related thrombi and catheter-related infection was significantly reduced in an ex vivo rabbit model.

Consequently, in virtue of these satisfactory capabilities, this complex has the potential to supply a facile and efficient strategy to build functional coatings for long-term use against catheter-related infection and thrombi. In addition to cardiovascular catheters, HS/DAC may become a coating material for other vascular implants, including artificial valves and stents. More importantly, HS/DAC can be modularly designed and modified for more functional coatings. In brief, we expect that this coating strategy will find wide applications in biomedical materials.

Medical-grade samples, including flat surfaces, tubing or other shapes, were cut to the desired size, cleaned with ethanol and deionized water three times, and fully dried. All the samples were air-plasma treated for 5 min to obtain hydroxyl groups. Glass was hydroxylated with piranha solution following our previously described procedure . Briefly, glass was immersed in a piranha solution (consisting of concentrated sulfuric acid and hydrogen peroxide in a volume ratio of ) and boiled for 1 h . Subsequently, samples were submerged in HS/DAC dichloromethane solution ( ) for 1 min to construct HS/DACcoated samples. The HS/DAC-coated samples were dried at room temperature to evaporate dichloromethane. After that, the samples were washed 3 times with deionized water and cured at for 30 min . Finally, the HS/DAC-coated samples were ultrasonically cleaned 3 times in deionized water and dried at room temperature.

Chemical durability of the coating. The control samples of HS/QAC complex and HS/QAC-coated TPU were obtained by the same methods as above. To determine the stability of the coating in solution, (HS/ QAC)-TPU and (HS/DAC)-TPU films were immersed in a variety of solvents, including ethyl acetate, n-hexane, methyl glycol, glycerol ( in water) and alcohol, salt solution (physiological saline, 30 wt solution and PBS), and solution with different pH values (from 4 to 9), followed by strong ultrasonication ( ) for 3 h . After that, TPU before and after treatment was stained with Rose Bengal and fluorescein sodium salt for further visualization.

Mechanical stability of the coating. HS/QAC and HS/DAC-coated catheters were simultaneously manually bent to for 500 times. The morphological changes of the coatings after bending were characterized with SEM.

Stability of the coating under extreme conditions. Samples were immersed in liquid nitrogen for 1 h or treated with high temperature and high pressure ( ) for 30 min . Then, the morphological changes of the coatings were monitored with SEM.

Stability of the coating in salt solution under flow incubation. TPU films ( ) with or without coating were placed in the independent silicone tube channel with an inner diameter of 0.3 cm . Subsequently, a peristaltic pump (LEAD FLUID, BT101 L) was utilized to connect the silicone tube. Normal saline was injected into the peristaltic pump to form a closed loop system, and a flow rate of min was set to simulate venous blood flow. Bare films and HS/DACcoated films ( ) at 0,10 , and 30 days with flow treatment were soaked in Rose Bengal solution ( 9.8 mM ) for 3 min , removed and rinsed with ultrapure water. The peeling of the coating was recorded through digital photographs. In addition, the dye adsorbed on the coating was redissolved in ethanol, and its absorption strength at 548 nm was measured.

Stability of the coating in vivo. All animal procedures were performed in accordance with the Guidelines for the Care and Use of Laboratory Animals of the Chinese Academy of Sciences and approved by the Animal Ethics Committee of Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences (no. 20210027). Female SpragueDawley rats (SD rats, weeks old) were housed at an ambient temperature of , humidity of and a photoperiod of 12 h light dark. In addition, a standard diet and water are given. HS/DAC-coated or bare TPU films with a diameter of 0.8 cm were implanted into the subcutaneous tissue on both sides of the back of SD rats. After 10 and 30 days of implantation, samples were removed and washed. The staining experiment was conducted as described above.

The ex vivo circulation was built as an arteriovenous shunt model following the procedure reported . Four adult New Zealand white rabbits ( ) were general anaesthetized. The left carotid artery and the right external jugular vein of rabbits were isolated and connected to build the ex vivo circulation. All the materials were sterile. Bare catheters and HS/DAC-coated catheters that were sterilized without bacterial treatments were named Bare and Coating, respectively. Bare catheters and HS/DAC-coated catheters that were incubated with S. aureus ( ) for 3 h at were named Bare + Bacteria and Coating + Bacteria. All four samples were tested on the same rabbits to minimize the systemic errors. In order to avoid the influence of bacteria, we first assembled Bare or Coating samples into the rabbit’s arteriovenous shunt. Once the catheter becomes blocked, the experiment is terminated and the catheter access is carefully removed. At the same time, the assembled circulation containing the Coating + Bacteria and Bare + Bacteria samples were connected to the arteriovenous shunt separately. The samples were gently washed 3 times with PBS and weighed. Thrombus formation on the lumen and surface was observed by digital camera and SEM. In addition, catheters and blood were collected from each circulation line to detect viable bacteria adhering on the surface and in the blood. Briefly, catheters were immersed in PBS solution for ultrasonic treatment. After of solution were taken for colony counting. A section of tubing ( ) adjacent to the catheter samples was intercepted with a hemostatic clip. Blood or clots were then removed from the tube ( ) and 1 ml of PBS is added for ultrasound and colony count. Immunofluorescence detection of monocytes on the surface of different sample groups was observed by CLSM. Catheter segments were fixed in 4% of paraformaldehyde and rinsed with PBS. These segments were incubated in primary antibodies against monocytes (anti-CD14, 1:1000) for 1 h . Samples were rinsed with PBS and further incubated for 1.5 h in fluorescently conjugated secondary antibody (lgG (H+L), Alexa Fluor 555-labeled Donkey AntiRabbit, 1:200). Finally, stained tubes were rinsed and freeze-dried and observed by CLSM.

Each experiment was performed with at least three replicate measurements. Data are presented as the means standard deviations (means SD). Statistical analysis was performed using Origin 2020 software and Microsoft Excel. One-way analyses of variance (ANOVA) followed by Tukey’s post hoc test were used for the statistical analysis between multiple groups, and two-sample Student’s t-test was used for comparisons between two samples.

Further information on research design is available in the Nature Portfolio Reporting Summary linked to this article.

All data are available in the main text, Supplementary Information, or Source Data file. Source data are provided with this paper. If any raw data files are needed in another format, they are available from the corresponding author upon request. Source data are provided with this paper.

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51973221, H.S., 52293384, S.L.), Youth Innovation Promotion Association of CAS (Grant No. Y2O21O66, H.S.), National

Key Research and Development Program of China (Grant No. 2021YFC2101700, X.Z.), Scientific and Technological Development Program of Jilin Province (Grant No. 20220508090 RC, H.S.), and HighTech Research & Development Program of CAS-WEGO Group (S.L.).

S.L. and H.S. proposed and supervised the project. L.L. and H.Y. designed the experiment and participated in the entire project. X.Z. assisted in the establishment of animal experiments. L.L., H.Y., L.W., and H.S. wrote the manuscript. L.W., S.L., and H.S. contributed to discussions on the results. L.W., D.Z., X.D. J.Y. and H.S. contributed to the visualization. All authors have given approval to the final version of the manuscript.

The authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains
supplementary material available at
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44478-3.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Shifang Luan or Hengchong Shi.

Peer review information Nature Communications thanks Matt J. Kipper, Manfred Maitz, María Sofía Raffaelli, and the other, anonymous, reviewer for their contribution to the peer review of this work. A peer review file is available.

Reprints and permissions information is available at
http://www.nature.com/reprints

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/ licenses/by/4.0/.
© The Author(s) 2024