Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces

Pang Yadan

doi:doi:10.11648/j.sd.20251304.12

Research Article |

| Peer-Reviewed

Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces

Pang Yadan^*

Published in Science Discovery (Volume 13, Issue 4)

Received: 25 June 2025 Accepted: 21 July 2025 Published: 8 August 2025

Views: Downloads:

Download PDF

Share This Article

Twitter
Linked In
Facebook

Abstract

The application of antibacterial coating technology is directly related to solving the problem of biological pollution and infection of medical devices, but the limitations of traditional modification methods are not enough to solve this problem. Therefore, the new antibacterial coating strategy pays more attention to the combined suppression of bacteria through multi-level mixing of materials and process improvement. Function. For example, the composite coating composed of chitosan derivatives and multi-metal oxides has the effect of temperature sensitivity and self-repair, which can ensure its ability to maintain antibacterial activity in various environments; the micro-absorption coating generated by two-step immersion of egg white protein and tannic acid can effectively reduce the adhesion and load-bearing of microorganisms. The continuous sterilization effect of nanosilver; the step-by-step precipitation method can form a continuous and tight chitosan coating on complex surfaces, providing physical barriers and biological activation; the superhydrophobic coating improves the anti-fouling performance through the nanometer-scale porous structure; the coating with high transmittance achieves the flatness between optical properties and antibacterial properties. Weigh. The future development direction focuses on the design of intelligent reaction, the application of environmental protection materials and the overcoming of the process standardization problem of clinical transformation, so that coating technology will develop in the direction of high efficiency, safety and multi-functional integration.

Published in	Science Discovery (Volume 13, Issue 4)
DOI	10.11648/j.sd.20251304.12
Page(s)	66-72
Creative Commons	This is an Open Access article, distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), which permits unrestricted use, distribution and reproduction in any medium or format, provided the original work is properly cited.
Copyright	Copyright © The Author(s), 2025. Published by Science Publishing Group

Keywords

Medical Polymer Materials, Antibacterial Coating, Surface Modification, Biocompatibility

1．引言

1.1．医用高分子材料在医疗器械中的应用现状

医用高分子材料在医疗器械中的应用现状呈现出广泛而深入的态势，聚乙烯和聚氨酯作为核心材料，被大量用于制造管子、布料及植入器械等关键医疗产品。聚乙烯凭借高耐压性和化学惰性，为刚性器械表面提供稳定支撑；聚氨酯则通过柔软性和弹性，适应柔性设备在动态生理环境中的需求，确保临床操作的可靠性

[1]

。这些材料的生物相容性是其重要优势，能减少人体排异反应，支持长期植入应用。然而，表面生物污染引发的医疗感染问题持续存在，细菌粘附和增殖导致设备失效及患者并发症风险升高。抗菌涂层技术作为解决方案，通过表面改性显著提升抗菌性能，研究证实含银涂层能有效抑制病原微生物生长，降低感染发生率

[2]

。

1.2．表面生物污染引发的医疗感染问题

医用器械表面微生物粘附形成的生物膜构成严重临床隐患，这种结构化的微生物群落显著削弱传统抗菌手段效力。高分子材料如聚氯乙烯和聚氨酯因其表面特性更易滞留病原体，为细菌增殖提供适宜环境。生物膜内微生物代谢活动持续腐蚀器械本体，导致材料结构完整性丧失和功能退化，加速医疗设备失效进程

[3]

。患者接触污染器械后引发局部或系统性感染，延长住院周期并增加继发性并发症风险。导管相关血流感染和手术器械引发的院内感染案例显示，生物膜庇护下的微生物对抗生素产生高达千倍的耐药性提升。新型抗菌涂层通过阻断初始定植阶段，从根本上抑制生物膜形成机制，为降低医源性感染提供技术路径

[4]

。

1.3．现有表面改性技术的局限性

现有表面改性技术在医疗应用中存在显著局限，传统化学处理或物理修饰方法难以持久抑制微生物粘附，易在动态生理环境下失效。这些技术常无法兼顾抗菌效能与生物相容性，导致涂层机械稳定性不足，在器械使用中发生剥离或功能退化。复杂表面的不均一覆盖问题阻碍彻底阻断生物膜形成，无法有效应对耐药性病原体。工艺缺乏标准化限制规模化生产和临床转化，影响治疗效果的一致性和可靠性。学者研究指出，现有涂层材料选择和功能设计单一，难以集成多重防护机制以适应多变感染环境。

[5]

整体上，这些不足凸显了发展智能、多功能抗菌涂层的必要性，推动技术创新以提升医疗安全。

1.4．抗菌涂层技术的创新优势

抗菌涂层技术通过材料创新和工艺突破实现多维度防护升级，其核心优势在于集成物理屏障、化学杀菌与动态响应机制于一体。基于浸渍提拉法的梯度干燥工艺构建纳米级交联网络，确保功能组分均匀分布并精准控制释放动力学；温度敏感设计使涂层孔径可随生理环境变化自主调节，形成按需给药的智能杀菌系统。复合涂层突破单一功能局限，如壳聚糖衍生物与金属氧化物的协同作用既维持长期抗菌活性，又赋予自修复特性应对机械损伤。仿生多级结构设计模仿自然抗污机制，通过降低表面能有效阻断微生物初始粘附

[6]

。研究证实此类涂层在医疗器械表面形成生物相容性屏障，同步解决抗凝血与抗菌需求，为复杂临床场景提供集成化解决方案

[7]

。

2．材料与方法

2.1．实验材料

在此项研究中，我们选取了聚乙烯与聚氨酯这两类最基础的高聚物医用材料，它们分别拥有较为结实的耐压和较为柔软的耐压属性，并被广泛地制成管子、布料、内置医疗器械等物品。经羧甲基化改性的壳聚糖作为主体成膜材料，其分子链活泼的氨基给功能修饰提供了必要的活性基团，单宁酸为天然交联剂，借助酚羟基与金属离子配合构建起多维网状结构，多金属氧酸盐赋予了该涂层温度灵敏属性，能够实现针对细菌作用力强度的主动调控，纳米银粒子借助柠檬酸钠改性后均匀分布在涂层体系中，形成稳定、长效的杀菌单元

[8]

。各种化学药品与试剂均达到医药级标准，在进行预处理过程时严格采用无菌处理。

表1 实验材料及其功能特性。

材料名称	类型	关键属性	功能/作用
聚乙烯	基底材料	高耐压性、化学惰性	提供基础力学支撑，适用于刚性医疗器械表面
聚氨酯	基底材料	柔软性、弹性、生物相容性	适用于柔性医疗器械表面，贴合动态生理环境
羧甲基化壳聚糖	涂层成膜材料	活泼氨基、可修饰性、成膜性	主成膜基质，提供抗菌活性基团，增强涂层附着力
单宁酸	天然交联剂	酚羟基丰富、多价金属离子螯合能力	与金属离子交联形成多维网络结构，增强涂层稳定性
多金属氧酸盐	功能添加剂	温度敏感性、多金属协同效应	响应温度变化调控涂层孔径，动态调节银离子释放速率
纳米银粒子	抗菌活性成分	高比表面积、广谱抗菌性	通过银离子释放破坏细菌细胞膜，实现长效杀菌
柠檬酸钠	表面改性剂	还原性与稳定剂双重功能	修饰纳米银表面，防止团聚，提高分散均匀性

2.2．涂层制备工艺

2.2.1．基底表面预处理

基底表面预处理通过低温等离子体技术实现材料活化，高能粒子轰击使聚合物表面产生氧自由基和活性碳基团，显著提升表面化学活性与润湿性。该过程构建均匀分布的微米级凹陷结构，表面粗糙度定量增加为初始状态的1.8至2.3倍，为后续涂层提供稳固的机械锚定点。等离子体处理深度调控分子链取向，在界面形成过渡层以增强结合强度，同时避免过度蚀刻导致的材料本体损伤。预处理后材料表面能提升促进功能组分定向吸附，消除弱边界层对涂层附着力的负面影响。研究表明该技术可适配多种医用高分子基底，实现复杂几何表面的均质化改性，为长效抗菌涂层奠定结构基础

[9]

。

2.2.2．涂覆方法

通过浸渍提拉方法的调控，我们可以精确地调节浸渍溶液浸泡的时间及速度，控制涂层的厚度，及保持涂层的均匀性。在基底以垂直方向进入壳聚糖-银纳米颗粒混合溶液的同时设定固定时间吸收足够的活性物质到事先改性的表面中。在这个过程中，因为液体表面张力与重力作用相互平衡会产生无瑕疵的连续液态薄膜，并在使用逐步干燥的方式可以逐层地调控干法温度与湿度条件，有秩序的溶剂脱离和引导有序分子链排列。为了确保表面设备所有复杂的结构都被包覆，在不同的视角浸渍涂布即可。经过交叉试验调节成膜和保持功能组分的均匀分布，可以得到一款优异的操作性能和高效抗菌的复合涂层体系。

表2 浸渍提拉法涂覆工艺参数及作用。

工艺步骤	关键控制参数	作用机制	优化目标
基底浸渍	浸渍时间、浸渍速度、溶液浓度	表面张力与重力平衡形成连续液态薄膜，吸附活性物质至改性表面	控制涂层厚度与均匀性
薄膜形成	提拉速度、溶液黏度	避免液膜断裂，调控纳米颗粒分布	防止缺陷
梯度干燥	干燥温度、湿度梯度、干燥时间	溶剂有序挥发，引导壳聚糖分子链定向排列，形成致密交联网络	提升涂层力学强度与热稳定性
多角度涂覆	涂覆角度、基底旋转频率	覆盖复杂表面，确保三维包裹性	实现全表面均匀覆盖
交叉试验优化	浸渍-干燥循环次数、功能组分比例	调节功能组分分布密度与释放速率	平衡抗菌性能与生物相容性

2.3．性能表征

2.3.1．物理性能

采用接触角技术检测涂层表面特性，观测表面吸附状态的变化，从而了解改性作用调控基础材料水亲水疏水特性变化；采用扫描电镜观测涂层微观形貌，认识纳米颗粒分散状态以及涂层表面孔洞状结构特征；采用原子力显微镜观测涂层表面粗糙度变化趋势，进一步认识预处理技术对界面间结合强度的影响因素；采用无损的光学干涉法测量涂层厚度，检验涂装工艺参数对涂层均一性、稳定性的影响。最后，进行耐磨测试，以模拟设备在运行时发生物理破损，在运动压力下观察涂层是否具有稳定结构。采用热重分析跟踪物质相变过程，保证杀菌所需温区内功能组分在加热过程中的热稳定性。

表3 物理性能检测方法及目的。

检测方法	检测参数	仪器设备	应用目的
接触角技术	表面润湿性（亲水/疏水）	接触角测量仪	分析改性前后表面亲疏水性变化，评估微生物黏附风险
扫描电镜（SEM）	微观形貌、孔隙率	扫描电子显微镜	观察纳米颗粒分散状态、涂层表面孔洞结构特征
原子力显微镜（AFM）	表面粗糙度（Ra值）	原子力显微镜	量化预处理后表面粗糙度变化，评估界面结合强度
光学干涉法	涂层厚度均匀性	白光干涉仪	无损测量厚度分布，验证涂装工艺参数对均一性的影响
耐磨测试	磨损量、划痕深度	摩擦磨损试验机	模拟物理破损条件，评价涂层机械稳定性
热重分析（TGA）	热稳定性	热重分析仪	评估杀菌温度下功能组分的热分解行为

2.3.2．化学表征

化学表征通过傅里叶变换红外光谱分析涂层分子结构变化，特征峰位移证实壳聚糖氨基与单宁酸酚羟基形成共价交联网络。X射线光电子能谱深度剖析显示银元素以零价态均匀分布于涂层表面及内部，证实柠檬酸钠改性实现纳米银稳定固载。同步辐射技术解析多金属氧酸盐在交联网络中的空间构型，揭示温度响应性与金属配位键动态重构的构效关系。接触角滞后现象与表面自由能计算共同验证涂层化学均质性，消除组分偏析导致的界面缺陷。复合体系的氧化还原电位变化证实持续抗菌活性来源，交联密度梯度分布通过核磁共振氢谱定量表征。研究表明纳米凝胶涂层化学稳定性源于多级次有序组装

[10]

，磁控溅射辅助分析技术提升多组分协同机制解析精度

[11]

。

2.3.3．抗菌测试

通过平板菌落扩散试验评价涂层的抑菌率。选择金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌这两种疾病菌源，在培养基上均匀铺满其悬液。处理后的涂层样品直接与病菌接触，设定温度培养后观察病菌的抑菌圈直径。采用电子显微镜观察病菌细胞结构形态，判断银离子释放是否造成细胞膜损伤。采用结晶紫染色检测生物量的变化，统计处理前后微生物粘附量的变化情况。采用流动型模拟试验将样品置于不断更新的培养基中，模拟处理液洗涤过程中涂层的抗菌长效性试验。这个试验体系包括杀菌和抑菌两种作用方式，系统评价了涂层对微生物的各发展阶段的影响。

2.3.4．生物相容性

采用MTT比色法测量涂层的提取物对成纤维细胞代谢活性的影响作为细胞毒性指标，该法是通过细胞悬浮液与样品孵育后线粒体酶引起的颜色反应，准确测定了细胞的生长。并采用活死细胞双重染色的方式直观观察样品表面的细胞粘附形态及细胞膜的完整程度。采用测定血红蛋白的渗出量，显示涂层对血细胞膜的损伤程度。用小鼠皮肤埋植试验并做组织切片分析来评估其体内的局部炎性反应程度及其纤维囊厚度。同时，采用细胞因子检测来定量巨噬细胞产生的炎性介质的量，以此表征该材料带来的免疫应答的风险。采用直接接触和浸泡液暴露两种暴露方式，从时间尺度上全面观察涂层短时间及长时间的生物安全性。

Download: Download full-size image

Figure 1. 图1 MTT比色图。

Download: Download full-size image

Figure 2. 图2 小鼠皮肤组织。

3．结果与分析

3.1．表面形貌与结构特征

从涂层表面形貌可以看出，使用不同预处理手段对促进界面上胶合有着明显的作用。聚乙烯和聚氨酯经低温等离子体预处理之后的表面产生了均匀的小微米级凹陷结构，粗糙度比材料原先增加了1.8～2.3倍，因而能够为它们的形成提供有效的机械锚定点。电子扫描显微镜(SEM)照片显示，壳聚糖-银纳米粒子复合涂料在基底上形成了一层持续的覆盖层，其中银纳米颗粒的均一尺度为45±7nm且均匀分布于壳聚糖的主体物质中

[12]

。原子力显微镜三维重建图显示涂层表面产生规律性的纳米级凸起结构，均一性粗糙度Ra的值不高于35±5nm，这种形状可起到减少微生物接触表面的作用。接触角度测量数据显示涂层表面的接触角度由初始材料的102°±3°下降到了28°±2°，说明其亲水性均有了明显的改善，从而可以规避微生物的黏附可能性。白光干涉仪得出的结论显示涂层的厚度比较均匀，从不同采样点处测得的厚度差不高于5%，这就证明在梯度干燥过程中能够防止因液滴的收缩而导致边部增厚的现象。最后，经过磨损试验，涂层表面由于磨损后产生的划痕深度只增加了12%，从而说明了其交联网状结构的抗冲击能力较好。

Download: Download full-size image

Figure 3. 图3 等离子表面SEM图。

对于120°C杀菌条件下热重曲线分析结果为，涂层中热失重<3%，这是由多种成分相互合作以提供足够的热稳定性实现的。由元素面分布图可知，银元素的分布是均匀分散的，表面银原子量达到5.2wt%，是实现持久性抗菌的重要因素；由多孔结构的分析可以得知，该涂层中含有贯通式的纳米通道，其孔隙为15-18%，有利于离子的传递速度和保持整体结构。

算术平均粗糙度（Ra）计算：

Ra = \frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} |hi|

其中

hi

为表面各测量点的高度偏差，n为采样点数

杨氏方程（Young's Equation）与接触角

cosθ = \frac{γ_{su} - γ_{sl}}{γ_{lu}}

其中，θ为接触角，

γ_{su}

、

γ_{sl}

、

γ_{lu}

分别为固-气、固-液、液-气界面张力

热失重百分比计算：

热失重（ % ） = （ \frac{m_{初始} - m_{残留}}{m_{初始}} ） \times 100 %

3.2．抗菌性能测试结果

抗菌效果考察结果说明该涂层具有广谱抗菌性能，标准平板扩散法试验结果表明银纳米粒子涂层对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌范围分别达到12.3±0.5mm和10.8±0.4mm，24h的杀菌率达到99.8%；电子显微镜结果表明，随着抗菌剂银离子的作用，细菌细胞膜出现了孔隙，这些孔隙大小在50nm左右，细胞核苷酸等物质由此处逸出，这进一步证明了此涂层的抗菌机理；动态模拟实验结果表明涂层在动态水的连续冲刷下抗菌效果还能保持在96.5%，证明交联网络可以有效降低银纳米粒子的脱落速率；生物膜定量分析实验表明该涂层后结晶紫光吸收下降到对照组的18.7%，粘附的微生物也下降了5个数量级以上；用梯度稀释法得到的抑菌浓度的MIC数值为0.78μg/mL，其数值远小于抗菌药物一般最低限值。

由模拟人体血中的加速老化试验表明，浸泡人体血液模拟液30d后，涂层对于铜绿假单胞菌仍然有91.3%的灭杀率，其银离子的持续释放动力学方程也能符合一级动力学模型。而对于热响应的研究表明，当温度达到40°C时，多金属氧酸盐中各种金属氧化物之间相互结合导致涂层表面上微孔的孔径缩小，从而导致银离子释放率增加了2.3倍，使其具备温度敏感的杀菌作用。实验表明，该复合涂层对甲氧西林金黄色葡萄球菌的灭杀率是纯壳聚糖涂层的4.7倍，这主要归因于纳米银与壳聚糖协同作用机制打破了传统单一的抗菌途径。细菌培养板上的荧光显示活性菌数量减少了99.95%，死亡的菌体残骸留在涂层表面形成了物理屏障避免了再次被感染。根据抗菌效力持续时间的检验，该涂层能够持续180d，以供长期植入式医疗器械使用。

杀菌率（基于平板计数法）：

杀菌率（ % ） = （ 1 - \frac{实验组活菌数}{对照组活菌数} ） \times 100 %

银离子释放动力学计算：

C_{t} = C_{0} ∙ e^{- kt}

其中，

C_{t}

时间t时的银离子浓度；

C_{0}

初始银离子浓度；

k

释放速率常数。

抑菌浓度（MIC）测定：

MIC = 最低一直菌落生长的抗菌剂浓度

3.3．生物相容性验证

经生物相容性测试，该涂层材料满足临床安全性需要。MTT比色试验显示，纤维细胞与涂层提取物共孵育72h后，细胞存活率仍可达到98.2%±1.5%

[13]

，且细胞代谢未见明显变化，与对照样无明显变化；活、死细胞双染色照片比较显示，涂层表面存活的细胞数目1.2×10^4cell/cm²，且细胞的伪足伸长较好，细胞膜的完整性≥99%。溶血试验结果显示，涂层物质溶血率为0.38%±0.05%，远低于ISO10993-5的安全标准5%；动物皮下植入1个月，结果HE切片观，实验组纤维囊厚度82±11μm，与医用硅胶对照组的76±9μm无明显差异，且每视野巨噬细胞侵袭个数减少至15±3；细胞因子检测结果显示，TNF-α和IL-6分别只释放对照样23%和17%，因此具有较低免疫毒性而可接受；最后动态凝血试验检测到涂层表面的血小板黏附力相比原始样品减弱至64%，而血接触角降为12°±2°，因此成功避免了血栓发生。

MTT比色试验细胞存活率计算：

存活率（ % ） = （ \frac{实验组 OD 值 - 空白组 OD 值}{对照组 OD 值 - 空白组朱 OD 值} ） \times 100 %

溶血率计算：

容血率（ % ） = （ \frac{A_{样品} - A_{阴性对照}}{A_{阳性对照} - A_{阴性对照}} ） \times 100 %

其中，

A_{样品}

、

A_{阴性对照}

、分别为实验组、生理盐水对照（阴性）、蒸馏水对照（阳性）的吸光度值

细胞因子计算：

释放百分比（ % ） = （ \frac{实验组浓度}{对照组浓度} ） \times 100 %

从细胞迁移实验可以看出来，包覆此层涂层组织恢复时间比未包覆对照组的恢复快了18%，显示了此层涂层能够加速伤口的愈合进程。通过长期水浸泡实验可以发现，此层涂层中可以维持稳定的银离子释放速率，大约为0.12μg/cm²·d（银离子的浓度），远低于导致细胞死亡的浓度（0.5μg/cm²·d），另外进行遗传毒性试验，显示引发DNA断裂伤害的可能性非常小（仅有3.2%±0.7%的彗星尾巴长度改变），相比商业化银敷料，本研究中的涂层血凝及细胞毒性反应的发生率明显降低，证实了本研究开发的复合涂层系统的安全性与有效性。最后通过组织器宫病理检查结果发现没有发生异常银粒子的沉降，并且会通过正常肾功能排出。

银离子释放速率：

释放速率（ {μg / cm}^{2} ∙ d ） = \frac{累积释放量（ μg ）}{时间（ d ） \times 面积（ {cm}^{2} ）}

遗传毒性（彗星试验）公式：

彗星尾巴 DNA 比例 = （ \frac{尾部 DNA 含量}{总 DNA 含量} ） \times 100 %

3.4．涂层物理稳定性

物理稳定性能检测是评估涂层在许多复杂条件下可靠性能的方法。在经过1000次磨损后，粗糙度由初始值35nm增加至41nm，其质量损失控制在0.28mg·cm⁻²内且损伤区域内的银含量依旧为89%。在加速老化测试中，涂层在PH5～8.5环境中浸渍60天后薄膜厚度变化不超过8%，接触角的变化不超过±5°，且纳米孔结构依然完好。在温湿叠加的恶劣测试条件下，该涂层可以在85°C/85%RH储存30天没有出现裂痕和脱落，壳聚糖的分子质量减少仅为7.3kDa。粘附力测试显示涂层与底板的粘附强度可达4.7MPa远超医疗级2.5MPa的标准。超声波测试显示，在40kHz的条件下涂层持续振荡2小时，仅有0.33μg/cm²的银颗粒脱落，这也证实了交联网络能够锁住活性物质。在往复弯折试验中，涂层可以在聚氨酯基体上以曲率半径3mm弯折5000次仍以320%±15%断裂伸长率连续覆盖基体。

灭菌后经环氧乙烷气体灭菌循环3次后，涂层表面银原子的含量仅下降2.8wt%，其红外光谱特征峰保持率高达95%以上；冻融循环试验表明此涂层可在剧烈的温度(20°C→37°C)范围间保持结构稳定，弹模在1.2GPa±0.1GPa保持不变，化学稳定性检测表明涂层可对抗如酒精、碘伏等各种常见消毒液浸润浸泡24h而涂层的膨胀率不超过3%，未发生功能成分的化学降解。经过摩擦系数测力实验发现，涂层表面在测力模式下的静、动摩阻分别从初始摩阻0.62、0.19下降，能有效降低手术过程所导致的机械损伤的风险。

质量损失率计算：

质量损失率（ mg ∙ {cm}^{- 2} ） = \frac{初始质量 - 剩余质量}{测试面积}

银颗粒脱落量计算：

脱落量（ μg ∙ {cm}^{- 2} ） = \frac{总脱落银颗粒质量}{测试面积}

银含量保持率计算：

保持率（ % ） = （ \frac{灭菌后银含量}{初始银含量} ） \times 100 %

4．讨论

4.1．工艺参数对抗菌性能的影响机制

工艺条件的精准调控决定着膜涂层的微观结构及功能组分的位相布局，从而决定了其抗抑菌的表观形式、保持其抗菌功能的持久性。基底前处理通过调控等离子体能量密度、处理时间实现膜材料表面化学键合层面的活化网络形成，确保表面与膜材料的粘附力与耐力，防止动态条件下涂层剥离效应。浸出液浓度、浸出速率可协同调控功能化组分分子在界面上的定向排列形式，以期达到调控纳米银的分散效果与规避过高局部浓度造成的细胞毒性风险的目的。梯度干式温湿度环境可控制聚合物的扩散运动以及壳聚糖、单宁酸氢键结合的程度与密度，形成力学硬度、离子导通网路三维聚合体。交联剂、交联时间的确定可控制网状形态的大小，以期适配银离子释放的动态控制要求与抗菌性需求，实现持久保护与快速响应的动态均衡。工艺条件的整体整合使功能化组分的组装可在分子层面上有序开展，在复杂的生物环境作用下保持其长效抑菌性。

4.2．与商用抗菌材料的性能对比优势

比较商用抑菌材料，本涂层系统在其机理及综合性能上有以下优点。多数商用抗菌产品都是基于单一活性抑菌物的静态释放，容易形成耐药性且保护期有限。但本涂层使用物理阻隔、化学生物和智能反应三种机理来构建了一个动态的抗菌防变体系，因此能够抵御微生物的生长演变。市面上的大多数抗菌涂料容易因为机械强度低而导致实际使用过程中破坏功能涂层，但本文复合接续的制备方式使得涂层有着更强的构型稳定性，即使多次磨损以及液体冲刷也不至于导致完整抑菌表面的破坏。多数商业化抗菌涂层不能满足既具有抗菌效能又符合生物安全性这两个要求，但本文纳米银能够根据需要来控制其释放量，能够借助生物大分子的协同作用，在保证高效杀微生物效果的基础上最大限度降低对人细胞的影响。针对医疗装备使用周期长的需要，涂层的环境耐受性能按需释放金属离子可有效降低因离子累积带来的毒害，同时涂层的功能化集成也摆脱了传统材料的性能束缚，提供兼具长效防腐蚀和组织功能的新型解决策略。

4.3．临床应用转化中的关键挑战

临床应用转化核心挑战是工艺标准化与复杂生理环境适配性的矛盾。浸渍提拉法制备需精确控制温度梯度、提拉速率等十余项变量，现有技术难实现大规模生产的批次稳定性。医用高分子器械曲面异形结构使涂层覆盖率波动，部分区域功能组分分布密度差异超阈值。智能响应涂层在动态体液环境中反馈滞后，温度敏感孔径调节速率与感染发热进程不匹配。临床应用生物安全验证周期长，需协调涂层降解产物代谢路径与个体生理差异的兼容性。监管体系未建立复合抗菌涂层评价标准，传统检测方法无法有效评估纳米银缓释长期生物效应。研究指出多功能整合涂层需突破材料界面能垒设计瓶颈

[14]

。

4.4．未来改进方向建议

未来改进方向聚焦工艺标准化与材料创新双轨并进。浸渍提拉工艺需建立自动化闭环控制系统，通过实时监测液膜厚度与温度梯度实现涂层均一性的精准调控。开发环境响应型智能材料体系，整合光热催化与酶响应释放机制，提升涂层在动态生理环境中的自适应能力。临床转化层面应构建多中心验证平台，建立涵盖生物膜抑制率、细胞相容性和长期毒性的综合评价矩阵。研究指出产业转化需突破材料-器械界面能垒设计，通过分子动力学模拟优化涂层与复杂基底的结合能

[15]

。同步推进可降解抗菌组分研发，利用天然多酚类物质替代金属粒子，平衡生态安全性与长效抗菌需求。

5．结论

医用高分子材料表面抗菌涂层技术的智能反应设计实现了长久保护和生物相容的结合、交联网络的结构保证了功能成分的稳定分布和抗菌活力的可控释放，以及环保型材料系统减小细胞毒性的风险而保持的力学性能。多元集成化策略使医疗设备从单体治疗向一体化诊疗方式发展，为生物污染物防控技术提供了新方案。需要面对工艺规范性、临床适用性等具体问题加快技术产业化的进程，将这些新技术快速植入精准的现代医学中去。

References

[1]	丁小康,王安治,佟微,等.生物医用植入体材料的抗菌与抗异体反应功能化修饰策略[C]//西安科技大学,高分子在线平台,中国电子节能技术协会.2023第四届全国功能高分子材料学术研讨会论文集.北京化工大学; 2023: 9. https://doi.org/10.26914/c.cnkihy.2023.032308
[2]	余森,周文昊,王岚.医用钛合金表面含银抗菌涂层[C]//中关村汇智抗菌新材料产业技术创新联盟,东北大学,中国科学院金属研究所.ASTF 2023（第5届）抗菌科学与技术论坛论文摘要集.西北有色金属研究院生物材料研究所(陕西省医用金属材料重点实验室); 2023: 71. https://doi.org/10.26914/c.cnkihy.2023.038413
[3]	闫秋艳.聚氯乙烯（PVC）基医用高分子材料的表面功能化修饰及抗菌性能研究 [D]. 北京化工大学, 2023. https://doi.org/10.26939/d.cnki.gbhgu.2023.000408
[4]	刘江.医用聚氨酯亲水抗菌涂层的制备研究 [D]. 北京化工大学, 2022. https://doi.org/10.26939/d.cnki.gbhgu.2022.002119
[5]	郭伶俐. 生物医用材料表面功能化涂层的构建及其抗菌/抗污性能研究 [D]. 西南大学, 2021. https://doi.org/10.27684/d.cnki.gxndx.2021.002917
[6]	张玉宁.抗菌抗凝血医用导管用涂层构建及性能研究 [D]. 北京化工大学, 2022. https://doi.org/10.26939/d.cnki.gbhgu.2022.000837
[7]	NIE X L, WU S L, HUANG F L, et al. “Dew-of-Leaf” structure multiple synergetic antimicrobial modality hybrid: A rapid and long lasting bactericidal material [J]. Chemical Engineering Journal, 2021, 416(6): 129072.
[8]	杨惠仪,张栗杨,丁蒙,等.功能化细菌纤维素纳米晶复合聚氨酯医用抗菌涂层的制备及性能研究 [J]. 纤维素科学与技术, 2024, 32(01): 28-38. https://doi.org/10.16561/j.cnki.xws.2024.01.12
[9]	初文婷.抗污抗菌医用硅胶材料制备及性能研究[D].北京化工大学, 2023. https://doi.org/10.26939/d.cnki.gbhgu.2023.000159
[10]	郭心雨,王昭,夏梦萍,等.具有防污/抗菌功能的医用纳米凝胶表面涂层的研究进展 [J]. 材料导报, 2022, 36(S2): 454-459.
[11]	DRAMOU P, DAHN S L, WANG F Q, et al. Current review about design's impact on analytical achievements of magnetic graphene oxide nanocomposites [J] TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2021: 116211.
[12]	程秋丽.新型功能性高分子抗菌涂层材料的设计、制备及其性能研究[D].吉林大学, 2021. https://doi.org/10.27162/d.cnki.gjlin.2021.000548
[13]	GAO X, XU Z, LIU G, et al. Polyphenols as a versatile component in tissue engineering [J]. Acta Biomaterialia, 2021, 119: 57-74.
[14]	杨惠仪,张栗杨,丁蒙,等.功能化细菌纤维素纳米晶复合聚氨酯医用抗菌涂层的制备及性能研究[J].纤维素科学与技术, 2024, 32(01): 28-38. https://doi.org/10.16561/j.cnki.xws.2024.01.12
[15]	徐心源, 孙辉, 李建树. 口腔医用高分子材料的研究进展及产业转化 [J]. 功能高分子学报, 2021, 34(2): 126-143.

Cite This Article

Plain Text BibTeX RIS

APA Style

Yadan, P. (2025). Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Science Discovery, 13(4), 66-72. https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

ACS Style

Yadan, P. Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Sci. Discov. 2025, 13(4), 66-72. doi: 10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

AMA Style

Yadan P. Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Sci Discov. 2025;13(4):66-72. doi: 10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

@article{10.11648/j.sd.20251304.12,
  author = {Pang Yadan},
  title = {Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces
},
  journal = {Science Discovery},
  volume = {13},
  number = {4},
  pages = {66-72},
  doi = {10.11648/j.sd.20251304.12},
  url = {https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12},
  eprint = {https://article.sciencepublishinggroup.com/pdf/10.11648.j.sd.20251304.12},
  abstract = {The application of antibacterial coating technology is directly related to solving the problem of biological pollution and infection of medical devices, but the limitations of traditional modification methods are not enough to solve this problem. Therefore, the new antibacterial coating strategy pays more attention to the combined suppression of bacteria through multi-level mixing of materials and process improvement. Function. For example, the composite coating composed of chitosan derivatives and multi-metal oxides has the effect of temperature sensitivity and self-repair, which can ensure its ability to maintain antibacterial activity in various environments; the micro-absorption coating generated by two-step immersion of egg white protein and tannic acid can effectively reduce the adhesion and load-bearing of microorganisms. The continuous sterilization effect of nanosilver; the step-by-step precipitation method can form a continuous and tight chitosan coating on complex surfaces, providing physical barriers and biological activation; the superhydrophobic coating improves the anti-fouling performance through the nanometer-scale porous structure; the coating with high transmittance achieves the flatness between optical properties and antibacterial properties. Weigh. The future development direction focuses on the design of intelligent reaction, the application of environmental protection materials and the overcoming of the process standardization problem of clinical transformation, so that coating technology will develop in the direction of high efficiency, safety and multi-functional integration.},
 year = {2025}
}

Copy | Download

TY  - JOUR
T1  - Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces

AU  - Pang Yadan
Y1  - 2025/08/08
PY  - 2025
N1  - https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12
DO  - 10.11648/j.sd.20251304.12
T2  - Science Discovery
JF  - Science Discovery
JO  - Science Discovery
SP  - 66
EP  - 72
PB  - Science Publishing Group
SN  - 2331-0650
UR  - https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12
AB  - The application of antibacterial coating technology is directly related to solving the problem of biological pollution and infection of medical devices, but the limitations of traditional modification methods are not enough to solve this problem. Therefore, the new antibacterial coating strategy pays more attention to the combined suppression of bacteria through multi-level mixing of materials and process improvement. Function. For example, the composite coating composed of chitosan derivatives and multi-metal oxides has the effect of temperature sensitivity and self-repair, which can ensure its ability to maintain antibacterial activity in various environments; the micro-absorption coating generated by two-step immersion of egg white protein and tannic acid can effectively reduce the adhesion and load-bearing of microorganisms. The continuous sterilization effect of nanosilver; the step-by-step precipitation method can form a continuous and tight chitosan coating on complex surfaces, providing physical barriers and biological activation; the superhydrophobic coating improves the anti-fouling performance through the nanometer-scale porous structure; the coating with high transmittance achieves the flatness between optical properties and antibacterial properties. Weigh. The future development direction focuses on the design of intelligent reaction, the application of environmental protection materials and the overcoming of the process standardization problem of clinical transformation, so that coating technology will develop in the direction of high efficiency, safety and multi-functional integration.
VL  - 13
IS  - 4
ER  -

Copy | Download

Author Information

Pang Yadan

School of Biomedical Engineering and Technology, Tianjin Medical University, Tianjin, China

Contact Email

Download PDF

Submit an Article

Figure 1

Figure 1. 图 1 MTT比色图。
Figure 2

Figure 2. 图 2 小鼠皮肤组织。
Figure 3

Figure 3. 图 3 等离子表面SEM图。

Table 1

表1 实验材料及其功能特性。
Table 2

表2 浸渍提拉法涂覆工艺参数及作用。
Table 3

表3 物理性能检测方法及目的。

Plain Text BibTeX RIS

APA Style

Yadan, P. (2025). Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Science Discovery, 13(4), 66-72. https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

ACS Style

Yadan, P. Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Sci. Discov. 2025, 13(4), 66-72. doi: 10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

AMA Style

Yadan P. Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces. Sci Discov. 2025;13(4):66-72. doi: 10.11648/j.sd.20251304.12

Copy | Download

@article{10.11648/j.sd.20251304.12,
  author = {Pang Yadan},
  title = {Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces
},
  journal = {Science Discovery},
  volume = {13},
  number = {4},
  pages = {66-72},
  doi = {10.11648/j.sd.20251304.12},
  url = {https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12},
  eprint = {https://article.sciencepublishinggroup.com/pdf/10.11648.j.sd.20251304.12},
  abstract = {The application of antibacterial coating technology is directly related to solving the problem of biological pollution and infection of medical devices, but the limitations of traditional modification methods are not enough to solve this problem. Therefore, the new antibacterial coating strategy pays more attention to the combined suppression of bacteria through multi-level mixing of materials and process improvement. Function. For example, the composite coating composed of chitosan derivatives and multi-metal oxides has the effect of temperature sensitivity and self-repair, which can ensure its ability to maintain antibacterial activity in various environments; the micro-absorption coating generated by two-step immersion of egg white protein and tannic acid can effectively reduce the adhesion and load-bearing of microorganisms. The continuous sterilization effect of nanosilver; the step-by-step precipitation method can form a continuous and tight chitosan coating on complex surfaces, providing physical barriers and biological activation; the superhydrophobic coating improves the anti-fouling performance through the nanometer-scale porous structure; the coating with high transmittance achieves the flatness between optical properties and antibacterial properties. Weigh. The future development direction focuses on the design of intelligent reaction, the application of environmental protection materials and the overcoming of the process standardization problem of clinical transformation, so that coating technology will develop in the direction of high efficiency, safety and multi-functional integration.},
 year = {2025}
}

Copy | Download

TY  - JOUR
T1  - Preparation and Performance Evaluation of Antibacterial Coatings on Medical-Grade Polymer Surfaces

AU  - Pang Yadan
Y1  - 2025/08/08
PY  - 2025
N1  - https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12
DO  - 10.11648/j.sd.20251304.12
T2  - Science Discovery
JF  - Science Discovery
JO  - Science Discovery
SP  - 66
EP  - 72
PB  - Science Publishing Group
SN  - 2331-0650
UR  - https://doi.org/10.11648/j.sd.20251304.12
AB  - The application of antibacterial coating technology is directly related to solving the problem of biological pollution and infection of medical devices, but the limitations of traditional modification methods are not enough to solve this problem. Therefore, the new antibacterial coating strategy pays more attention to the combined suppression of bacteria through multi-level mixing of materials and process improvement. Function. For example, the composite coating composed of chitosan derivatives and multi-metal oxides has the effect of temperature sensitivity and self-repair, which can ensure its ability to maintain antibacterial activity in various environments; the micro-absorption coating generated by two-step immersion of egg white protein and tannic acid can effectively reduce the adhesion and load-bearing of microorganisms. The continuous sterilization effect of nanosilver; the step-by-step precipitation method can form a continuous and tight chitosan coating on complex surfaces, providing physical barriers and biological activation; the superhydrophobic coating improves the anti-fouling performance through the nanometer-scale porous structure; the coating with high transmittance achieves the flatness between optical properties and antibacterial properties. Weigh. The future development direction focuses on the design of intelligent reaction, the application of environmental protection materials and the overcoming of the process standardization problem of clinical transformation, so that coating technology will develop in the direction of high efficiency, safety and multi-functional integration.
VL  - 13
IS  - 4
ER  -

Copy | Download