医用导管表面改性技术的研究进展与应用前景

Research Progress and Application Prospect of Surface Modification Technology for Medical Catheters

摘要: 医用导管作为现代医疗中不可或缺的重要设备，广泛应用于药物输送、体液引流和病症诊疗等领域。其性能的优劣直接影响诊疗效果和患者的生命安全，而导管的材料和表面涂层的选择，则在改善其生物相容性、耐久性及抗菌性能方面起着至关重要的作用。文章系统性地综述了当前医用导管表面改性技术的研究进展，包括水凝胶涂层、润滑液体注入多孔表面、静电纺丝、沉积法以及等离子体处理法等。这些技术通过优化涂层的材料成分和微观结构，不仅显著提升了导管的抗菌性能、抗血栓能力和机械强度，还赋予其药物缓释、智能响应等多样化功能，为复杂医疗环境中的导管应用提供了重要解决方案。展望未来，生物可降解材料、纳米技术的引入以及材料科学与生物医学等多学科的深度融合，将为医用导管涂层的创新设计与临床转化提供强大动力，进一步推动其在精准医疗领域的广泛应用。

Abstract: Medical catheters, as indispensable devices in modern healthcare, are widely used in drug delivery, fluid drainage, and disease diagnosis and treatment. Their performance directly influences therapeutic outcomes and patient safety. The selection of catheter materials and surface coatings plays a critical role in improving biocompatibility, durability, and antibacterial properties. This paper systematically reviews the current advancements in medical catheter surface modification technologies, including hydrogel coatings, lubricated liquid-infused porous surfaces, electrospinning, deposition methods, and plasma treatment. These technologies optimize the material composition and microstructure of coatings, significantly enhancing the antibacterial properties, thrombus resistance, and mechanical strength of catheters. Furthermore, they endow catheters with diverse functionalities, such as drug release and intelligent responsiveness, providing crucial solutions for catheter applications in complex medical environments. Looking to the future, the incorporation of biodegradable materials, nanotechnology, and the deep integration of materials science and biomedicine will drive innovative designs and clinical translation of catheter coatings, further advancing their applications in the field of precision medicine.

1. 引言

医用导管是用于输送药物或引导液体等物质的医疗设备。该设备具有创伤小、效率高以及恢复快的优势，因此在手术、诊断及治疗过程中得到广泛应用。如表1所示，介入导管类型有很多种，包括静脉导管、导尿管、胃管、呼吸导管等。医用导管的材料选择需要考虑其生物相容性、机械性能和化学性能等多方面的因素，常见的材料有聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)、硅橡胶(SR)、合金材料等。

Table 1. Common interventional catheter

表1. 常见介入导管

导管	材料	用途
肠导管	硅橡胶	用于内窥镜检查、胃内容物引流等。硅橡胶具有良好的生物相容性、耐药性和弹性，常用于制造医用导管、密封件等。但表面的摩擦系数较高。	[1]-[5]
输尿管支架	聚氨酯	用于治疗尿路梗阻。聚氨酯具有良好的柔韧性和耐久性，适用于长期留置和耐药性要求高的情况。但存在过敏反应和细菌附着的风险。	[2] [6]-[8]
支气管插管	聚氯乙烯	用于麻醉与输送药物。聚氯乙烯材料成本低，具有良好的生物相容性。但长期使用时可能会发生变形。	[9] [10]
心脏起搏器	合金材料	用于治疗心律失常所致的心脏功能障碍。合金材料具有良好的机械强度，适用于高强度环境。但通常较重，会限制患者活动。	[11]-[14]

在医疗过程中，若导管放置时未能严格遵循无菌操作，可能引发血流感染(CRBSI)及尿路感染(CAUTI)的并发症[15]。导管相关血流感染可引发高热、寒战、心率加快、呼吸急促等症状，情况严重可导致败血症[16]。导尿管相关尿路感染的症状包括尿频、尿急、尿痛，以及腰痛或下腹部不适[17]。此外，当导管进入血管时，血液中的血小板和纤维蛋白会在其表面凝结成块形成血栓，阻止血液流向身体的重要器官[18]。根据血栓的位置，症状可能会有所不同。如深静脉血栓常发生在腿部，可能引发腿部肿胀、疼痛、发热，肤色发红。肺栓塞则可能引起呼吸急促、胸痛、咳血或心率加快等症状。如果血栓在脑血管中，可能导致中风的症状，如乏力、说话困难、视力模糊等。这些并发症显著增加了医疗成本，甚至危及患者生命安全。因此，防止这些问题发生尤其重要，而最理想可行的方案是对导管表面改性。

通过对导管表面改性可以影响细菌附着，某些改性方法可以提供抗菌特性，从而防止或限制微生物生长，从而大大降低了患者感染的风险。其次，改性的导管能有效降低导管与血液之间的摩擦，降低血栓形成的风险。经过表面改性的导管往往更加耐用，能够保持更长时间的使用寿命，减轻了频繁更换导管对患者的困扰。

2. 常见改性技术

2.1. 水凝胶涂层

水凝胶涂层通常由聚合物分子连接而成，是一种拥有独特的三维网络结构特殊涂层，具有极高的吸水性，能够吸收多倍于其自身质量或体积的水分[19]。由于其主要由可降解的聚合物和水构成，因此具有良好的生物相容性和润滑性。然而，其独特的结构和高水含量导致机械强度相对较低。在极度干燥的环境下，水凝胶涂层容易迅速失水，从而影响其性能。

水凝胶的抗菌性能并非内在特性，而是需要通过材料设计或后续改性处理来赋予的。常见的方法是将抗菌剂，如纳米银颗粒、抗菌肽等，包装到水凝胶中[20] [21]。当水凝胶接触到微生物后，抗菌剂会缓慢渗透入细菌内部，与其内部蛋白结合，使其失去活性，最终导致细菌破裂死亡[22]。如图1所示，

Figure 1. Combination design of fibroin/chitosan/polyvinyl alcohol hydrogel with nano-silver oxide-graphene oxide

图1. 丝素蛋白/壳聚糖/聚乙烯醇水凝胶与纳米氧化银–氧化石墨烯的结合设计[23]

Zhang [23]等人成功在丝素蛋白/壳聚糖/聚乙烯醇水凝胶中原位合成了纳米氧化银–氧化石墨烯(Ag@MOF-GO)复合材料。所合成的水凝胶具有良好的生物相容性和出色的持久抗菌性能，能够加速伤口愈合和重新上皮化，是理想的促进止血、预防细菌感染和促进伤口愈合的敷料材料。然而，一些研究也表明，高浓度的纳米银粒子具有一定的细胞毒性，可能导致DNA损伤[24]。

另一种方式是通过使用具有抗菌活性的聚合物来制造水凝胶，如含有季铵盐的聚合物[25]。这些聚合物通过与细菌的细胞膜发生静电相互作用，破坏细胞膜的完整性，导致细胞内容物的泄漏，从而杀死细菌。Sun [26]等人采用氧化还原法，将季铵壳聚糖(QCS)、丙烯酰胺(AAM)和甲基丙烯酸磺基甜菜碱(SBMA)快速聚合交联在聚氯乙烯(PVC)导管上制备出水凝胶涂层。该涂层具有出色的润滑性和优异的防污性能，能够减少血小板粘附防止血栓形成。

Figure 2. Schematic diagram of thermosensitive hydrogel coating on medical catheters: (a) Schematic diagram of infections associated with local body temperature increase caused by implantation of medical catheters in the brain, chest, abdomen, and urinary tract; (b) Thermosensitive hydrogel coating structure diagram; (c) Hydrogel temperature sensing mechanism diagram; (d) Concept map of infection monitoring of temperature sensing hydrogel coating [28]

图2. 医用导管上感应温度水凝胶涂层的示意图：(a) 在大脑、胸腔、腹腔和泌尿道中植入医用导管引起的与局部体温升高相关的感染示意图；(b) 温感水凝胶涂层结构示意图；(c) 水凝胶温度传感机理示意图；(d) 温度传感水凝胶涂层感染监测概念图[28]

此外，在过去的十多年里，水凝胶作为承载生物活性分子的理想载体，已经从静态材料转化为智能响应的传感材料[27]。如图2所示，Li [28]等人开发出一种用于医用外科实时监测感染的温度传感水凝胶导管涂层。该方法通过紫外光聚合制备了稳定的丙烯酰胺(AAm)/丙烯酸(AA)/壳聚糖(CS)三联网水凝胶涂层，并用碳纳米管纤维(CNT)作为电极附着在导管两侧。通过对水凝胶涂层的电化学阻抗测试，实现在34℃至42℃温度范围内体温的连续监测。该技术能够在大脑、腹腔和尿道中检测早期感染，有效抑制局部神经元的凋亡，为实时监测体内疾病和改善设备–组织界面提供了新的途径。

2.2. 润滑液体注入多孔表面

基于猪笼草表面微观结构的启发，Wong的团队在2011年首次提出润滑液体注入多孔表面技术(SLIPS)的概念[29] [30]。该技术通过将液态润滑剂注入到具有多孔结构的固态表面，以形成连续稳定的润滑膜层。这种涂层通常具有低表面张力、自我修复、自清洁等优点。

近年来，SLIPS技术被广泛应用于临床器材表面改性领域。如图3所示，Leslie [31]的团队开发了一种可广泛应用于各种医用材料的疏水液态全氟碳(TLP)涂层技术。这种涂层是由两层构成的，底层是通过等离子体活化后与硅烷共价键合在材料表面形成的分子层，被称为固定的全氟碳(TP)；外层是通过范德华力吸附在TP上的医用级液态全氟碳(LP)。这种基于仿生学设计的独特涂层可以有效地排斥血液，抑制纤维蛋白聚合和血小板的黏附与活化，无需肝素抗凝的情况下，在体内和体外均能降低血栓形成的风险。

Figure 3. Schematic diagram of blood rejection on TLP surface

图3. TLP表面血液排斥示意图[31]

如图4所示，Kasapgil [32]等人将n-丙基三氯硅烷(n-PTCS)分子沉积在经过氧等离子体活化的医用鼻夹板表面，经过稳定后形成聚硅氧烷纳米丝膜层。并用吸附法将不同粘度的硅油液体渗入聚硅氧烷纳米丝中，在毛细作用下形成稳定的润滑保护层(SLIPS)。该涂层可显著降低粘附在植入物表面的细菌数量、延缓血液凝固和血栓形成、提高医用器械的耐用性。

Figure 4. (a) SLIPS coating preparation process; (b) Siloxane nanofilament coating is injected with different viscosity silicone oil SEM [32]

图4. (a) SLIPS涂层制备流程；(b) 硅氧烷纳米丝涂层注入不同粘度硅油SEM [32]

2.3. 静电纺丝

静电纺丝是一种制备微纳米纤维的先进技术，其原理是通过向溶液或熔体施加强大的电场力，使其形成各种复杂的微纳米纤维结构[33]。由于其高效、灵活的制备能力，这种技术已被广泛应用于过滤、织物生产、催化、医学、光学和电子等领域。在导管涂层的制备方面，静电纺丝技术展现出了重要的应用价值。通过选用具有优良生物相容性的原材料制备出的纤维涂层，不仅能够显著改善医疗器械的性能，还能够有效减少病人体内的排异反应。同时，通过精确调整静电纺丝的工艺参数，可以对纤维涂层进行个性化定制，从而优化器械表面的关键特性，例如粗糙度、孔径大小和涂层厚度等[34]。此外，静电纺丝技术在药物载体和生物材料领域也有着广泛的研究应用。通过将药物封装到静电纺丝制备的纳米纤维中，可实现药物的缓慢释放，从而在需要时提供持续的治疗效果，提高药效的同时减少副作用[35]。

Figure 5. (a) Schematic diagram of electrospinning of degradable nanofiber wikis; (b) (c) SEM image of PCL nanofiber network prepared by electrospinning [36]

图5. (a) 可降解纳米纤维基SLIPS的静电纺丝示意图；(b) (c) 静电纺丝制备的PCL纳米纤维网SEM图 [36]

静电纺丝技术的参数对涂层性能具有至关重要的影响，这些参数通过控制纤维的形成过程和微观结构，直接决定了涂层的物理和功能特性。在工艺参数方面，电压是核心因素之一，通过调节电压可改变溶液的拉伸程度和纤维的直径。较高电压能够生成更细致的纤维，提高涂层的致密性和表面光滑度，但过高电压可能导致不稳定的喷射，形成珠状结构，影响涂层均匀性。流速则决定了溶液的供给速度，较低流速有助于形成均匀连续的纤维，而过高流速可能造成纤维拉伸不足，导致厚度不均的涂层。此外，射流与收集器之间的距离也至关重要，适当的距离能确保溶剂充分蒸发和纤维完全固化，形成更平整的涂层。

溶液的浓度和黏度同样对涂层性能有重要影响。适当的浓度可以生成结构均匀的纤维，从而优化涂层的孔隙率和厚度，而浓度过高或过低均可能导致纤维断裂或不规则堆积。在环境因素方面，温度和湿度通过调节溶剂的蒸发速率影响纤维的成型过程。较高温度可以加速溶剂挥发，形成光滑涂层，但可能引发纤维表面缺陷；而较高湿度则可能导致纤维固化不完全，形成粗糙的表面。此外，气流的干扰也会影响纤维的沉积均匀性。

通过优化静电纺丝参数，可以精确调控涂层的关键性能。例如，调整电压和流速可以控制涂层的粗糙度和孔径大小，以满足不同应用需求；调节纺丝时间或溶液流速可精确控制涂层厚度，以增强机械强度或实现特定功能。

如图5所示，Agarwal [36]等人以广泛用于医疗植入物的生物可降解聚己内酯(PCL)为原料，通过电纺或吹纺成纳米纤维，后用食用油注入纳米纤维基中，制备出可降解的液体滑动薄膜。该涂层可以预防各种液体和微生物附着，通过添加表面活性剂，实现了分子载荷的可控释放。经过化学修饰或添加疏水颗粒等方法可以提高涂层的长期稳定性。这种方法简单、可扩展、无需额外的化学反应，并且可以在任意尺寸和形状的表面上生成光滑涂层，具有在食品包装、海洋涂层、生物医学植入物等领域的广泛应用前景。

2.4. 沉积法

如图6所示，气相沉积法(CVD)和液相沉积法(LPD)是常见的涂层制备技术。CVD原理是利用气态反应物质在一定条件下，沉积在基体表面的适当位置，进而制得的固态薄膜或涂层的工艺技术[37]。LPD的原理是溶液中的反应物质通过物理吸附或化学反应，将涂层材料沉积在基材表面上形成薄膜[38]。CVD与LPD制备过程成本相对较低，适用于多种材料的大面积涂覆，还可以用于制备复杂的多层涂层和纳米材料，在电子器件[39]、光学材料[40]、防腐蚀[41]等领域具有广泛应用。

Figure 6. (a) A liquid deposition device; (b) A vapor deposition device [42]

图6. (a) 一种液相沉积装置；(b) 一种气相沉积装置[42]

Kasapgil [43]等人使用正丙基三氯硅烷(n-PTCS)和甲基三氯硅烷(MTCS)作为前驱体，在食人鱼溶液刻蚀活化的载玻片上通过简单、清洁、环保的气相反应得到聚硅氧烷纳丝表面，并用硅油填充制备出无氟、透明、防水的SLIPS。所制备的SLIPS在80℃的加热下仍能长久保持其拒液性能。这种长期稳定的透明SLIPS在医用自清洁涂层方面具有极大的应用价值。

2.5. 等离子体处理法

等离子体处理是利用经过电离的气体撞击基底，从而达到改变表面化学成分的目的。主要的表面效应与受到电离的气体的性质直接相关。化学反应性气体如在氨气、氮气中接枝胺类或酰胺类官能团；在氧气或水蒸气中接枝过氧化氢或羟基；在CO₂中接枝羰基、羧基；在CF4中接枝CFx官能团；化学惰性气体如氩气、氦气主要的效果为蚀刻[44]。等离子体工艺最初是为微电子技术开发的。这种技术操作极其灵活、较为环保，基本设备非常适合自动化。基于这些优点，等离子体工艺在医用植入物的抑菌方向有着重要地位[45]。但其昂贵的设备与气体原料限制了这项新技术的大规模应用。

Liu [46]的团队用Ar、N2和90% Ar + 10% N2三种等离子气体对结晶热塑性的聚芳醚酮聚合物(PEEK)进行表面改性。揭示了等离子体处理通过改变PEEK形貌、亲水性和含氮官能团来调节细胞与表面相互作用，并发现N2等离子体处理对提高PEEK成骨活性最有效，而90% Ar + 10% N2等离子体处理对提高PEEK抗菌性能最有效。Ojah [47]等人开发了一种负载阿莫西林(AMOX)与壳聚糖涂层的纤维药物递送系统。从蚕丝中提取出的蛋白纤维经氧等离子体处理可以提高其表面亲水性、机械性能以及壳聚糖与AMOX涂层的附着力。这种细丝对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有很强的抑制作用，可用作治疗细菌感染伤口的手术缝合线。

Figure 7. Modification diagram of PMMA plasma surface [48]

图7. PMMA等离子体表面的改性示意图[48]

如图7所示，Rezaei [48]等人报道了等离子体对医用材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行表面改性，并研究了等离子体系统参数(电极间隙、处理时间和施加电压)对表面特性和生物活性的响应。经过处理后，材料表面引入了更多的极性基团，表面自由能增加，同时提高了PMMA的表面润湿性、抗菌性能和生物相容性。该等离子体工艺方法具备在常温常压环境下对基底进行快速改性且无污染的特点，因而在临床医用器械表面改性方面有巨大的应用潜力。

3. 展望

随着医疗技术的日新月异，医用导管在治疗多种疾病中，尤其是心脏病、肿瘤和肾脏疾病等方面发挥着不可或缺的作用。为保证硬件设备在体内性能优异、安全可靠，并模仿生物组织以避免异物反应，需要不断探索医疗导管涂层的发展前景。其中包括生物可降解材料如聚酮类、聚乳酸材料，它们无需通过手术取出，能够在人体内自然分解；静电纺丝技术和各种涂覆技术可以构建多种性能的药物缓释涂层，一方面让器械表面表达具有防炎、抑菌、抗血小板粘附等药效的药物，另一方面将药物限定在器械作用的局部，以降低药物全身性的副作用；再者，利用纳米技术和表面改性技术，开发纳米医药的导管涂层，可以靶向病变组织，提高治疗的精准度。

然而，理想的医疗涂层体系开发固然重要，但最关键的是使其从实验室转为临床应用。医疗导管涂层的研究是一个跨学科领域，需要材料科学、化学、生物科学和医学等多学科深度融合。随着科技进步和跨领域整合，未来医疗导管涂层将更安全、高效、智能和人性化地为患者提供更优质的治疗服务。

基金项目

上海市徐汇区中心医院院级课题(XHYY202218)。

NOTES

^*通讯作者。