《BioMed Research International》：Organic Polyurethane Surface Structures to Manufacture Noneluting Antimicrobial Polyurethanes: A Systematic Review of Literature
医院获得性感染及相关医疗成本的急剧增加，以及植入物感染中抗菌耐药性（AMR）的严峻形势，亟需进一步研究和开发具有抗菌性能的植入材料。聚氨酯（PU）是医疗器械和植入物中使用的关键生物材料。多种合成及天然化合物可被引入聚氨酯中，赋予其接触杀菌（contact-killing）和/或细菌排斥（bacteria-repelling）特性。本系统性文献综述旨在全面概述有机抗菌表面活性聚氨酯的最新研究进展，包括用于赋予其抗菌性能的化合物、其有效性及作用机制。研究分析了防止细菌粘附的技术、接触杀菌技术以及环境溶出现象。虽然部分化合物表现出高效抗菌活性，但亦有化合物效果不佳。总体而言，研究在方法学设置、结果呈现、分析和报告方面存在明显的标准化缺失。加之部分技术本身效果有限，这阻碍了其及时的临床转化。未来研究应聚焦于推进临床疗效验证，同时采用高质量方法学进行相关的体外和体内模型测试——从而为实现有效治疗技术、遏制感染和抗菌耐药发病率上升迈出关键一步。
1 引言
植入物是现代医疗不可或缺的组成部分，全球估计已有数百万患者接受了临时性或永久性植入物治疗。然而，相当比例的医院获得性感染与这些医疗器械相关。日益增多的植入物感染是由对抗菌化合物具有耐药性的细菌引起的，这使得感染的危险性以惊人的速度增长。2019年一项系统性分析报告显示，估计有495万例死亡与细菌抗菌耐药性相关。此外，随着抗生素耐药性的迅速上升，预计到2050年将每年有1000万人死于抗菌耐药性，这一数字甚至可能被低估。与其他疾病相比，这一预测死亡率高于癌症和糖尿病之和，促使世界卫生组织（WHO）宣布这是对人类和动物健康的最大威胁。
医疗器械相关感染的发生与细菌生物膜（biofilm）的形成密切相关，生物膜是细菌屏蔽抗生素和宿主免疫反应的常用方式， notoriously难以从医疗器械上清除。生物膜形成过程中，浮游细胞（planktonic cells）首先附着于表面，随后细菌构建由多糖、蛋白质、核酸（e-DNA和e-RNA）、脂质及其他生物分子组成的保护性胞外基质。一旦生物膜成熟，细胞开始离开并形成新的生物膜。生物膜可通过与基质成分或细菌膜结合、或被基质酶灭活等方式限制抗生素渗透，同时也阻碍免疫系统的正常应答。当生物膜在植入物表面数日内形成后，在体内几乎无法根除。因此，技术开发和治疗策略应针对防止细菌在植入物表面的粘附，从而阻止细菌生物膜的形成。
赋予材料抗菌性能的常见策略包括：将抗生素剂掺入材料、用可溶出的抗生素剂涂层，或修饰表面以赋予抑菌或杀菌效果。根据严格定义，"杀菌性"（bactericidal）化合物杀死细菌，"抑菌性"（bacteriostatic）化合物阻止其生长（生长停滞期），但这仅适用于实验室环境。根据标准定义，若最小杀菌浓度（MBC）与最小抑菌浓度（MIC）之比≤4，则抗生素被归类为杀菌性；若该比值>4，则为抑菌性。然而，这些阈值 somewhat arbitrary，且与体内临床结果的一致性相关不强。此外，抑菌和杀菌活性之间的区别并非绝对；同一种抗菌剂根据测试的细菌种类和使用浓度，可能表现出抑菌或杀菌效果。
抑菌和杀菌表面可分为三类：（1）防止细菌粘附于植入物表面的抗粘附表面（antiadhesive），（2）接触时杀死细菌的接触杀菌表面（contact-killing），（3）含有对细菌有毒的可溶出化合物的表面（leachable compounds）。无机抗菌化合物通常释放离子，而有机化合物则修饰细菌细胞器并破坏生化途径。聚合物是医疗器械应用中使用最广泛的材料，估计占医疗器械制造所用材料的50%。聚氨酯（PU）因其可调的化学结构、优异的机械性能、可预测的降解性和生物相容性，成为最受欢迎和用途最广泛的合成生物医用聚合物之一。
2 方法
本综述遵循系统评价和Meta分析首选报告项目（PRISMA）指南，已在开放科学框架（Open Science Framework）注册。通过PubMed、Scopus、Web of Science和Embase OVID四个数据库进行检索，限定为2003年至2025年2月间发表的英文学术论文。检索词组合包括："Polyurethan*"或"Polycarbamat*"与"antibacterial"或"antimicrobial"以及"Adhes*"或"fouling"或"Contact-killing"或"Contact"或"Drug-Eluting"或"Elut*"。为聚焦于聚氨酯的医学应用，排除了（"marine"或"packaging"或"waste water"）等关键词。
研究筛选采用两步法：首先根据标题和摘要筛选，然后对全文进行资格评估。排除标准包括：非医学应用研究、非聚氨酯基材料研究、抗真菌或抗病毒机制研究，以及缺乏体外或体内抗菌实验的文献。此外，本综述专门排除了仅溶出型系统，原因包括：（1）可形成聚氨酯的抗菌化合物和离子种类繁多；（2）接触杀菌方法被认为与广泛用于预防性使用的抗生素具有互补性；（3）溶出型系统因其在环境中的持久性而可能进一步促进抗菌耐药性。同时含有表面活性和溶出特性的化合物将被纳入分析。最后，所有含无机化合物（包括金属、石墨烯、无机硅酸盐和硅酮）的聚氨酯研究被排除，以便聚焦于有机化合物。
3 结果
数据库检索共获得2082项研究，去重后剩余980项。标题和摘要筛选后排除564项，全文筛选后额外排除282项，最终纳入134项研究。
3.1 杂项聚氨酯
关于纯聚氨酯是否具有抗菌特性存在不同观点。尽管大多数研究声称聚氨酯未经改性时不具备抗菌性，但有研究声称氨基甲酸酯基团（urethane moieties）本身具有杀菌能力。由于这些研究所研究的聚氨酯膜还含有聚丙二醇（PPG）和聚乙二醇（PEG）或倍半硅氧烷（silsesquioxane），其抗菌性能究竟有多少源于氨基甲酸酯基团尚不清楚。三项研究讨论了抗菌聚氨酯但并未说明是否经过改性或其作用机制，且均未能显示出高细菌 reduction。
3.2 接触杀菌修饰
接触杀菌表面通过将杀菌剂结合于表面来杀死微生物。最著名的接触杀菌剂包括合成化合物如季铵化合物（QACs）、N-卤胺（N-halamines）和胍类（guanidines），以及天然化合物如壳聚糖。
3.2.1 合成有机化合物
3.2.1.1 含卤素化合物
N-卤胺是潜在的高效杀菌剂，其一个或多个氮原子与氧化性卤素共价结合。其抗菌机制主要包括接触杀菌、释放杀菌或两者结合。接触杀菌机制涉及带正电荷的卤素直接向特定细胞受体转移而不释放到溶液中，从而抑制或破坏关键细胞功能。释放杀菌机制则导致氮与卤素离子之间的共价键断裂，使离子溶解到溶液中。较稳定的卤素键倾向于主要通过接触杀菌机制发挥作用，而较不稳定的键则导致更多基于释放的杀菌机制。该化合物的一大优势是其杀菌机制可通过添加游离卤素离子（如漂白剂）进行再生。
zone of inhibition（抑菌圈）试验常用于研究材料是否释放杀菌剂。两项研究发现含N-卤胺的聚氨酯未观察到抑菌圈，细菌可在5分钟内（6-7 log reduction）或120分钟内（4-5 log reduction）被完全清除。而另一项聚合物网络含N-卤胺的研究则报告了小而清晰的抑菌圈，所有细菌在4小时后（5-6 log reduction）被清除。其他N-卤胺/聚氨酯研究未探究报告的细菌 reduction 中有多少归因于释放或接触杀菌机制，但均显示出高效的杀菌效果，包括15分钟内（8-9 log reduction）、2小时内（6 log reduction）、30分钟内（6-8 log reduction）等。
3.2.1.2 季铵化合物
QACs构成了一大类抗菌化合物，但其抗菌机制尚无文献共识。理论认为，首先细菌通过其带负电荷的细胞壁吸附到带正电荷的QACs上，由静电作用力介导；然后，这些基团扩散到细胞壁中并破坏细菌膜，释放细胞内物质从而杀死细菌。另一理论提出QACs与细菌膜之间的静电相互作用导致在细胞周围形成不透性层，阻止营养物质渗透。
由于QACs的广泛使用，越来越多细菌对其产生耐药性，这使得寻找新型抗菌QACs变得日益重要。本综述中无抑菌圈的QAC研究表明，其抗菌 reduction 可达5 log、100%（4 log reduction）、超过99.9%（3 log reduction）至25%不等。有研究报道了3 log reduction并伴有清晰抑菌圈，以及高达26.3 mm的抑菌圈和89.7%的抗菌率。其余研究未探索杀菌机制是基于释放还是接触杀菌，但均报告了良好的杀菌效果，包括5分钟内完全清除所有细菌（3 log reduction）、6小时内（6 log reduction）、24小时内100%抑制（8 log reduction或5 log reduction或7 log reduction）等。
本综述还研究了QACs的抗菌性能与其在结构中位置的关系。大多数研究中QACs位于侧基（pendant group），仅有一项研究位于端基（terminal group，报告100% [4 log reduction]），四项位于主链（backbone，报告29% [55]和25% [56]无抑菌圈，>3 log [57]有抑菌圈，以及3 log reduction [68, 71, 73]和1.7 log reduction [75]未调查抑菌圈）。一项研究QACs同时位于主链和端基（89.7% [58]抗菌率，有抑菌圈），一项位于主链和侧基（100% [7 log reduction]）。由于非侧基QACs的研究数量有限，难以建立结构与抗菌性能之间的联系。基于已发表数据的分析，这种联系似乎不存在。
3.2.1.3 胍类
聚氨酯中的胍基团显示出强大的广谱抗菌活性。研究表明，胍鎓阳离子（guanidinium cation）的正电荷通过与带负电荷的细菌细胞壁的静电吸引相互作用，导致细菌细胞内物质泄漏，最终引起细菌死亡。不同于细菌，中性的哺乳动物细胞膜不受胍鎓阳离子损伤。
胍类聚氨酯的研究显示可杀死高达3 log或超过2 log的细菌。有研究发现阴离子薄膜中的胍没有抗菌活性，而阳离子薄膜则有。一些研究将胍类聚氨酯的抗菌性归因于抗粘附能力而非接触杀菌，认为胍的正电荷可通过排斥细菌来抑制微生物粘附，或利用极性胺和胍鎓团的亲水性形成水合层以防止细菌附着。
3.2.1.4 其他合成有机化合物
其他阳离子杀菌化合物包括聚阳离子聚乙烯亚胺（PEI），可通过破坏细菌细胞膜导致细胞裂解和死亡，同时通过静电力和带正电荷的氨基发挥杀菌活性。PEI主要用于修饰聚氨酯聚合物刷，其化学结构和动态运动可防止粘附、细菌增殖和生物膜形成。
硼化合物同时具有杀菌和抑菌机制，文献对其作用模式尚无共识。一种可能的解释是带正电荷的硼原子周围的阳离子部分可与带负电荷的细菌膜相互作用，破坏膜并杀死细菌。硼酸掺入聚氨酯泡沫显示出高达4.8 log的细菌 reduction。
一些非离子有机化合物也具有抗菌性能。戊二醛浸渍聚氨酯可减少超过4 log的细菌量，含表面活性剂改性随机纳米硅酸盐片层的聚氨酯可减少高达100%（5 log）的细菌，而含广谱抗生素苯并异噻唑啉酮（BIT）侧基的聚氨酯则显示出高达1.1 log的杀菌 reduction且无抑菌圈。
3.2.2 天然化合物
3.2.2.1 壳聚糖
壳聚糖是一种知名的天然抗菌化合物，为阳离子多糖，可与带负电荷的细菌细胞膜相互作用，通过破坏膜使细菌成分泄漏。含壳聚糖的聚氨酯可在18小时后杀死所有细菌（>5 log reduction），或消灭99.99998%（6.7 log reduction）至20%的细菌。两项研究声称壳聚糖除接触杀菌机制外，还可通过其极性基团提高聚合物亲水性从而阻碍细菌粘附。
3.2.2.2 甲壳素、肽类和姜黄素
甲壳素是一种类似壳聚糖的天然氨基多糖，可触发细菌絮凝，可能通过切断营养和氧气供应来杀死细菌。相比壳聚糖，甲壳素缺乏与带负电荷细胞表面相互作用的多阳离子胺数量，因此抑制细菌生长的能力较弱。
肽修饰的聚氨酯表面似乎通过破坏细菌膜发挥杀菌作用，类似于带电胺或QACs。研究显示无溶出行为，体外可达3 log reduction，且至少5天内保持抗生物膜能力。姜黄素是一种疏水性多酚，能够破坏细胞膜等。掺入聚氨酯的姜黄素在24小时内显示出高达1.3 log的细菌 reduction。
3.2.2.3 其他天然化合物
其他与聚氨酯结合并测试的天然化合物包括：两种不同精油（α-萜品醇和肉桂醛）组合实现6 log reduction，溶葡萄球菌素（lysostaphin）实现4 log reduction，生物基扩链剂2,5-二甲酰基呋喃二肟实现100% reduction（4 log），Antheraea mylitta丝素蛋白减少70%微生物粘附并有高达1.85 cm的抑菌圈，酰基酶（acylase）实现60%细菌 reduction，以及萜烯类实现高达60%的细菌 reduction。
3.3 抗粘附修饰
与接触杀菌化合物不同，抗粘附修饰用于防止细菌附着于表面，这对预防感染具有重要影响，因为细菌粘附是生物膜形成的必要第一步。
3.3.1 表面修饰
防止细菌粘附的常见方式是改变表面形貌，如添加受自然启发的微纳结构。结构化表面减少了细菌可附着的面积，尤其当表面特征小于细菌本身尺寸时。结构还可改变表面能和表面润湿性。某些非润湿形貌（如Sharklet微图案）具有超疏水性，在表面形成气穴阻碍细菌相互作用，从而防止生物膜形成。结构化表面还可通过机械破裂细菌膜来杀死细菌。
研究使用飞秒激光加工为聚氨酯提供表面微纳织构，16小时后可将细菌粘附减少高达1.4 log。纳米线阵列表面（不同间距）报告高达79%的细菌 reduction。Sharklet微图案通过热压印可将细菌定殖减少高达71%。微纳结构表面可减少66.7%的细菌附着。有序半球形图案的最显著结果是2 μm图案化PU膜在4.0小时实现37.5%的细菌 reduction。然而，平滑表面可促进细菌附着，一项研究使用新型等离子体去污处理将氧和氮物种接枝到表面，但表面平滑化导致处理后的PU细菌增加高达0.57 log。
3.3.2 聚乙二醇（PEG）
PEG因其抗粘附特性、无毒性和亲水性而被广泛使用。PEG可降低材料表面能，并以刷状形式提供空间位阻。由于其亲水性，PEG还可在表面形成水合层。研究表明，含PEG的聚氨酯可实现2.3 log、高达1.5 log、超过1.4 log的细菌 reduction，而含PEG的PU膜仅实现17%的细菌 reduction。
3.3.3 氟（Fluor）
氟化聚合物可降低表面张力、改善疏水行为和生物稳定性，并通过防止细菌附着、破坏细菌能量产生和代谢等多种机制抑制生物膜形成。氟化聚氨酯系列研究显示，随着氟含量增加，细菌粘附逐渐减少，可实现超过1 log的细菌 reduction。
3.3.4 其他抗粘附化合物
受天然化合物冰片（borneol）启发，各种衍生物与聚氨酯结合以赋予抗菌性能。冰片衍生物（异冰片基丙烯酸酯）制成的涂层显示出优异的抗粘附性能，54%冰片丙烯酸酯浓度时无附着细菌（4 log reduction），或抑制率高达89.3%。另一种抗粘附化合物N-香草基壬酰胺（辣椒素合成类似物）被添加到聚氨酯中，但研究报告显示该化合物并未显著改变细菌粘附。
3.4 多种化合物修饰的聚氨酯
许多研究在聚氨酯中结合了两种化合物。掺入两种具有接触杀菌机制的化合物可增强聚合物的抗菌性能；然而，将抗粘附和接触杀菌化合物结合可能提供更有效的协同方法。死亡细菌可能在接触杀菌材料表面积累，阻止活细菌与抗菌基质相互作用，而抗粘附机制的引入可缓解这一问题，从而保持接触杀菌功能的有效性。
3.4.1 合成化合物
3.4.1.1 含卤素化合物
研究测试了氟化和非氟化N-卤胺以探究氟的抗粘附能力是否能增强N-卤胺的抗菌性能。意外的是，非氟化N-卤胺的抗菌效率更高（15分钟后5 log vs 3 log）。研究者用氟化形式在聚合物中较低溶解度、在聚氨酯表面形成结构域从而减少与细菌接触来解释这一差异。另一研究将氯胺前驱体与QACs结合，将杀菌活性提高至72.1%，并证明了表面的可再生性。
研究将聚六亚甲基胍盐酸盐（PHMG-Cl）添加到商用聚氨酯中，超过3% PHMG-Cont的聚氨酯显示出杀菌剂释放，而较低浓度无溶出。3% PHMG-Cl含量实现完全抑制所有细菌（4 log reduction）。
3.4.1.2 季铵化合物
研究调查了季铵化甲壳素和壳聚糖接枝到聚氨酯上，这些化合物不仅具有接触杀菌能力，还可由于其两亲结构形成水合层从而防止细菌粘附。季铵化甲壳素基质的杀伤效率高达66%，而季铵化壳聚糖基质的杀伤效率高达1.7 log。另一研究将季铵化壳寡糖固定于纤维PU膜上，24小时后抗菌效率高达75.3%。还有研究将咪唑鎓盐壳聚糖和两性离子PMPC接枝到聚多巴胺/PEI修饰的聚氨酯上，QACs、壳聚糖和两性离子PMPC的抗粘附能力协同作用，实现3.2 log的抗菌率。
多项研究调查了PEG和QACs在聚氨酯基质中的结合。2007年，研究将阳离子接触杀菌烷基铵（QAC）与三氟乙氧基或PEG化侧链整合到聚氨酯涂层中，所有涂层在30分钟后均达到100%细菌杀灭效果（3.6-4.4 log reduction），无抑菌圈。2008年，合成含QACs和氟的涂层，30分钟内实现3.6-4.4 log细菌 reduction。含季铵盐和类PEG侧链的聚氨酯涂层报告>4 log细菌 reduction。含QAC上层和抗粘附PEG下层的聚氨酯薄膜显示出有前景的抗菌性能：一项研究报道超过4 log细菌被杀死且无抑菌圈，另一项报道4 log reduction。相反，含QACs和PEG的聚氨酯仅显示高达1.3 log的细菌 reduction。将季铵简单地连接到含PEG聚氨酯上，可实现1 log的杀菌活性和60%的微生物粘附 reduction。结合甲氧基聚乙二醇（MPEG，可形成防止细菌粘附的网络）和与胍形成的QACs（产生双正电荷），涂层抗菌效率高达98.2%（1.7 log reduction）。将QACs、PEG和MPEG接枝到植物油基水性聚氨酯材料上，实现1.1 log的细菌 reduction。研究含季铵盐和PEG的聚氨酯，实现82%的细菌 reduction。合成含QACs和抗粘附PPG及PEG的聚氨酯，报告抑菌圈高达8 mm。
QACs还与其他几种抗粘附化合物结合。研究将聚二甲基硅氧烷共价修饰聚氨酯泌尿植入物，降低表面能并产生疏水屏障，同时将季铵化部分引入支化PEI，报告细菌 reduction高达3 log。研究调查了两性碳质颗粒（quaternized polyethyleneimine为侧基）通过载体分散策略与热塑性聚氨酯共混，报告1.5 log的细菌活力 loss。该聚合物表现出抗粘附特性，归因于暴露的ACPs-QPEI的抗菌作用，能有效消除附着于表面的细菌细胞。制备含季铵化改性甲基二乙醇胺（QMDEA）和抗粘附聚合物聚乙烯吡咯烷酮的聚氨酯，3% QMDEA浓度下涂层具有3 log的抗菌效率，未观察到抑菌圈。磺基甜菜碱是两性离子化合物，通常以QAC作为其正电荷，可形成水合层防止细菌附着。研究调查了含双呋喃基聚酰胺聚合物（包括烯丙基季铵阳离子、癸基季铵阳离子和磺基甜菜碱各种官能团）的聚氨酯，即使经过七个使用周期，仍能杀死>2 log的细菌。将两性离子磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯接枝到聚氨酯导管上，7天后可消除超过2 log的细菌。另一磺基甜菜碱修饰聚氨酯研究报告细菌粘附 reduction超过1.4 log。
研究将热塑性聚氨酯与含季铵盐的蒙脱土（MMT）纳米粘土共混，薄膜显示出高达85.34%的杀伤效率。研究制备了含季铵盐和硅氧烷的阳离子水性聚氨酯分散体，推断由于硅氧烷的存在，聚合物链可更有效地破坏细菌膜，分散体显示抑菌圈高达13.71 mm。
3.4.1.3 胍类
研究用壳聚糖双胍盐酸盐修饰聚氨酯涂层，报告抗菌率高达1 log。另一研究将接触杀菌聚胍杀菌剂和抗粘附氧化葡聚糖结合，聚氨酯表现出100%杀伤效率（8 log reduction）。透明质酸是最亲水的天然化合物之一，能够通过其负电荷的静电排斥力排斥细菌。研究报道聚六亚甲基胍/透明质酸多层薄膜的抑制率高达4 log。
3.4.1.4 其他合成化合物
研究调查了聚二甲基硅氧烷改性的热塑性聚氨酯，掺入支化聚乙烯亚胺和聚（2-乙基-2-噁唑啉）。虽然PEI具有接触杀菌作用，但聚（2-乙基-2-噁唑啉）是具有抗粘附性能的生物启发聚合物，报告浮游生长降低4倍。研究结合正电接触杀菌抗菌剂（包括十八烷基二甲基[3-（三甲氧基甲硅烷基）丙基]氯化铵、苯扎氯铵和奥替尼啶二盐酸盐）于聚氨酯涂层中，实现超过2 log的细菌 reduction。
四环素是一种阻断核糖体中tRNA肽合成的抗生素。研究将四环素作为接触杀菌化合物，同时加入二甲醇丙酸和多元醇以增强PU亲水性从而提高抗菌活性，报告细菌 reduction高达>8.3 log。研究制造了含甲氧基硅烷官能化苯胺四聚体的聚氨酯，这些四聚体可与阴离子细胞膜相互作用，报告聚氨酯/硅氧烷膜比不含硅氧烷的膜具有更高的抗菌活性，几乎减少100%的所有细菌。
三唑及其衍生物是另一种杀菌化合物，已被证明可抑制DNA旋转酶、葡糖胺-6-磷酸合酶、二氢叶酸还原酶和SecA ATPase等必需细菌蛋白。研究通过三唑键将抗粘附聚合物PVP涂覆于聚氨酯上，膜显示高达67%的细菌附着 reduction。
3.4.2 天然化合物
天然聚合物肝素可结合钙，表明其作为螯合剂作用，从而去除细菌必需的阳离子。研究将壳聚糖和肝素整合到聚氨酯中，2015年报告>3.5 log reduction，2016年报告24小时抑制后所有细菌在样品上被杀死（6-7 log reduction）。类似地，将壳聚糖叠氮化物和肝素叠氮化物整合到聚氨酯薄膜中，实现1.1 log的细菌 reduction。利用多巴胺自聚合将壳寡糖附着于PU膜表面，抗菌效率为48.78%。将光敏剂苯甲酰邻苯二甲酸和抗菌剂咖啡酸整合以实现阳光下的协同效应，报告2.1 log reduction。
3.4.3 抗粘附策略
表面修饰独立于其他抗菌修饰，因此可轻松与其他策略结合。研究设计了具有不同尺寸孔洞（0.3至4 mm）的薄膜，并涂覆抗粘附两性离子聚合物2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱，18小时后表面可抑制82%的金黄色葡萄球菌定殖。研究使用亚微米柱状结构和氟碳化合物组合，根据SEM测量减少高达75%的细菌粘附。具有较高氟碳含量的薄膜显示生物膜形成，这可能降低了机械强度，导致柱状结构缺陷。研究制造了具有有序柱状形貌的顶层和掺有S-亚硝基-N-乙酰青霉胺（SNAP，NO供体）亚层的聚氨酯，报告88%的细菌 reduction率。将PPG和PEG结合到聚氨酯膜中，声称二元醇增强膜的疏水性，提供与杀菌氨基甲酸酯基团的紧密接触，抑菌圈测试显示抑菌圈高达16 mm。还合成了一系列多面体低聚倍半硅氧烷基聚（脲-氨基甲酸酯-酰亚胺）膜，酰亚胺部分增强表面亲水性从而增加与表面接触的细菌数量，脲部分可杀死细菌，抗粘附倍半硅氧烷用于降低表面能，膜减少细菌附着高达约2 log，盘扩散试验显示抑菌圈达15 mm。制造了含聚二甲基硅氧烷和多金属氧酸盐（磷钨酸）的聚氨酯材料，4小时接触内抑制细菌附着。
3.5 有机聚氨酯的体内研究
本综述文献检索识别的135项研究中，仅13项进行了体内测试，其中仅6项专注于抗菌体内测试。四项研究调查了季铵化材料。最高reduction由混合电荷两性离子聚氨酯涂层报告，其主链中含有阳离子季铵基团，体外杀菌率达3 log，在大鼠皮下组织的再手术感染模型中实现2-3 log reduction。研究调查了接枝到聚氨酯上的季铵化甲壳素和壳聚糖，体外甲壳素杀伤效率高达66%，壳聚糖高达1.7 log，小鼠皮下植入后达3 log reduction。研究构建了两性碳质颗粒（季铵化聚乙烯亚胺为侧基）与热塑性聚氨酯共混，体外报告1.5 log细菌 reduction，皮下植入小鼠后2个月仍保持超过1 log的抗菌效率。制备了含季铵化改性甲基二乙醇胺（QMDEA）和抗粘附聚合物聚乙烯吡咯烷酮的聚氨酯基涂层，体外测试显示3 log抗菌效率，无抑菌圈，感染小鼠皮下植入显示87.48%的杀菌率。
研究制造了含两种不同EO成分（α-萜品醇和肉桂醛）的医用级聚氨酯涂层，体外报告6 log细菌 reduction，在具有六个烧伤创面的猪皮全层烧伤模型中，2天和3天后细菌减少超过5 log。最后，研究调查了肽聚合物改性热塑性PU表面的抗菌效率，肽位于侧基，体外报告高达3 log的细菌 reduction，皮下植入感染模型中为1.27 log。
体内外抗菌疗效结果的差异可归因于临床转化的转化差距，源于缺乏标准化的体外和体内模型方案、体内模型的固复杂性，以及体内试验与临床结果之间缺乏验证。
4 讨论
本系统性文献综述全面概述了有机抗菌表面活性聚氨酯、用于赋予其抗菌性能的化合物、其抗菌有效性及作用模式。分析了多种合成和天然材料可被引入聚氨酯中以提供接触杀菌或细菌排斥特性，效果各异。QACs、N-卤胺和壳聚糖被强调为最有前景的抗菌剂，其效力得到现有文献的广泛支持。然而，据研究者所知，这些化合物中尚无一种已在临床中实施，潜在原因如下讨论。
纳入本综述的研究一致报告，未经改性的聚氨酯本身不具有抗菌活性，除两项研究声称氨基甲酸酯基团本身具有杀菌特性外。然而，在这两种情况中，聚氨酯同时被额外已知影响抗菌性能的化合物改性（分别为PPG和PEG，以及倍半硅氧烷），且两项研究均未包括分离氨基甲酸酯基团单独抗菌效果的对照实验，也未提供支持声称内在杀菌活性的机制原理或文献引用。因此，基于现有证据，必须得出聚氨酯在不含掺入抗菌剂的情况下不具有抗菌性能的结论。
在所研究的各种材料技术中，大多数已发表聚氨酯显示出从有限到高效的抗菌效果范围。QACs是研究最广泛且最有前景的接触杀菌抗菌剂之一，其中几种基质显示了100%的抗菌 reduction，最显著的是在5分钟内减少3 log和在24小时内减少8 log。然而，在低端，它们仅显示高达25%的reduction（0.13 log）。QACs已被引入聚氨酯结构的不同部位（主链、侧基和末端），并用于溶出和非溶出抗菌系统。但由于这些改性聚氨酯基质中化学结构和体外测试方法学的显著差异，直接比较以确定最有效的QAC功能化策略仍然具有挑战性。
N-卤胺是本次综述中第二大广泛研究的抗菌剂类别。这些化合物显示出巨大潜力，能够在5分钟内杀死基质上所有细菌（高达8-9 log和6-7 log）。与其他抗菌剂相比，N-卤胺提供了杀菌机制可再生的独特优势，可通过暴露于游离卤素源（如漂白剂）恢复。然而，在本次综述所涉及的医疗应用范围内，这种再生通常仅限于临时性设备（如导管），其中可定期进行卤素处理。尽管N-卤胺功能化聚氨酯显示出高度有前景的抗菌性能，但缺乏体内研究仍然是其临床转化的重要障碍。
其他阳离子化合物也显示出有前景的抗菌活性，如胍类（高达6 log reduction）和PEI（高达2 log reduction）。然而，研究数量有限（分别仅4项和3项体外研究，无体内研究），妨碍了对其效力或潜力的任何明确结论。其他抗菌化合物如表面活性剂改性随机纳米硅酸盐片层（5 log）、硼酸（4.8 log）、戊二醛（>4 log reduction）和BIT（1.1 log）在仅一项研究中显示出有前景的抗菌性能，需要进一步研究以确认其体外抗菌特性并证明其向体内的转化。
非合成化合物代表另一大类抗菌剂，其中壳聚糖研究最广泛，报告细菌reduction高达6.7 log和5 log。壳聚糖掺入聚氨酯缺乏体内研究仍然是其临床转化的重要障碍。在其他天然化合物中，一些最显著的结果报告用于α-萜品醇和肉桂醛（6 log）、溶葡萄球菌素（4 log）、2,5-二甲酰基呋喃二肟（4 log）、肽类（体外3 log和体内1.3 log）、姜黄素（1.3 log），显示出非常有前景的抗菌性能，需要进一步研究。
聚氨酯基材料的抗粘附策略涵盖多种方法。其中，阻碍细菌粘附的表面修饰研究最广泛。尽管已探索多种表面工程技术，但单独应用时均未能显示始终高水平的细菌reduction。除一项研究达到1.4 log的细菌粘附reduction外，其他所有研究均报告<1 log的reduction。显示出更高抗菌活性的化合物是PEG，报告高达2.3 log和1.4 log的细菌reduction。虽然前景看好，但本综述中仅四项研究，需要进一步研究。除PEG外，唯一显示出潜力的抗粘附化合物是冰片，一项研究报告了4 log的细菌reduction。鉴于该研究中用于评估抗菌性能的强大方法学，这些发现是有前景的。需要额外研究以确定冰片是否发挥真正的抗粘附效果，或观察到的reduction是否归因于接触杀菌活性，因为后者未经实验评估而仅被推断。
聚氨酯的抗粘附策略可减少表面细菌数量，但抗粘附化合物似乎最有希望与一种或多种接触杀菌化合物结合使用。抗粘附策略与其他化合物联合研究的远多于单独研究。这种结合防止死亡细菌在接触杀菌材料表面积累，使其能够在更长时间内保持接触杀菌特性。观察到的最高抗菌reduction为：四环素、二甲醇丙酸和多元醇掺入聚氨酯（>8.3 log reduction）、聚胍和氧化葡聚糖组合（100%细菌reduction，8 log）、以及壳聚糖和肝素接枝聚氨酯（6-7 log reduction）。虽然基质中两种化合物的结合可增强其抗菌活性，一些研究也显示两种化合物可相互干扰作用模式。添加氟实际上降低了N-卤胺的抗菌活性，研究者解释为氟化形式在聚合物中较低溶解度，导致在聚氨酯表面形成结构域，从而与细菌接触减少。
即使在同一类抗菌剂中，有意义的比较也因掺入聚氨酯基质的方式不同而复杂化。共价连接到不同区域（如主链、侧链或末端基团）可显著影响抗菌性能，而抗菌剂的物理共混引入额外挑战。关键挑战包括共混化合物需均匀分散和稳定、低分子量化合物可能随时间不受控制地从基质中溶出、有效抗菌作用需要靠近聚合物表面等。所有这些原因使得共价结合和物理共混抗菌化合物的比较变得困难。
将新型抗菌材料引入市场需要获得批准，这要求广泛研究。本综述发现62.2%的研究未测试生物相容性。此外，仅9.6%的研究进行了体内测试，仅4.4%进行了体内抗菌测试。考虑到已解释的所有额外限制和缺失数据，可以得出结论：本综述讨论的抗菌化合物未在临床使用的原因，可能较少归因于材料设计的局限性，而更多归因于其评估和转化中的方法学挑战。
抗菌聚氨酯领域广泛，多项研究试图总结该领域的最新进展。据研究者所知，迄今尚无专注于抗菌聚氨酯的全面系统评价发表；然而，有若干叙述性综述和概述涉及该主题或密切相关主题。Kasi等综述了显示出有前景抗菌性能的聚氨酯基复合材料，提供了有价值的聚氨酯合成、加工方法和前沿抗菌改性策略概述。然而，其工作不构成全面系统评价，且结果讨论和未来展望相对简要。Wang等概述了功能改性聚氨酯以实现表面抗菌，而Saleemi等讨论了抗菌聚氨酯基纳米复合材料。作为叙述性概述，这些研究选择性地突出代表性文献，对可用数据的批判性或系统性分析有限。因此，本系统评价旨在提供有机抗菌改性聚氨酯策略的全面详细评估。与以前综述不同，本工作还涵盖过去20年报告的所有相关改性方法以捕捉更广泛的方法学和发展趋势，并识别这些技术的有限临床转化主要归因于测试方法学和报告标准的不一致。
以前综述和概述强调了更深入理解细菌-PU相互作用的必要性，并强调了进一步研究双功能协同抗菌系统的重要性。它们未充分解决缺乏临床转化的问题，而正如本综述所讨论的，这可能与方法学报告不一致和监管障碍有关。此外，细菌耐药性的迅速增加在很大程度上被忽视，尽管预测估计到2050年抗菌耐药性每年可导致高达1000万人死亡。不断升级的耐药性凸显了开发不依赖传统抗生素的抗菌策略的紧迫需要。在此背景下，采用协同机制的抗菌系统预计将变得日益重要，因为它们可能能够有效消灭甚至耐药菌株。因此，随着全球抗菌耐药性负担的持续上升，这些领域的研究努力预计将进一步加强。
5 结论
抗菌聚氨酯要作为医疗器械推向临床应用，全面的体内评估和广泛的生物相容性评估至关重要。目前，获批医疗器械中抗菌聚氨酯的数量仍然很少，随着感染发生率和抗菌耐药性威胁的上升，开发更多临床实践中抗生素的替代方案变得重要。
本综述表明，抗菌聚氨酯领域广阔。不幸的是，尽管研究结果有前景，体外5分钟内显示出高达（8-9 log）和（6-7 log）的抗菌性能，体内3 log，但仍存在重大挑战阻碍临床实施。这些障碍似乎并非源于缺乏有效技术，而是源于不一致的报告实践和监管障碍。为弥合这一转化差距，方案、研究和报告需要遵守高质量标准，并对体外和体内模型进行标准化，从而实现对抗菌聚氨酯系统更一致的评估和监管批准。
接触杀菌抗菌聚合物，包括聚氨酯，必须破坏微生物膜而不 adversely影响人体细胞。此外，需要证明抗菌部分真正的非溶出行为。当此类生物材料与血液接触时，进一步的安全要求是确保良好的血液相容性，确保不触发血栓形成、凝血或溶血（除非明确要求）。这意味着与医疗器械应用密切相关、反映体内持续时间的测试是实现监管批准前临床前体内研究中的重要步骤。
