背景:心脏植入式电子装置（CIED）治疗已成为治疗心律失常及严重心力衰竭的重要手段之一,可以明显改善患者的生活质量。CIED相关感染是CIED术后最常见也是最严重的并发症之一,随着CIED治疗的广泛应用,其发病率也在不断上升,甚至超过了CIED治疗的增长速度。尽管医疗技术已经取得了巨大的进步,但CIED植入术后一年内感染的发生率仍在2.3-3.4%之间。目前用于预防CIED感染的主要手段为术前抗生素的使用,然而,随着全球范围内抗生素滥用,病原体相关耐药性的上升,导致了术前抗生素效果下降。因此,开发一种不依赖抗生素且可有效预防CIED感染的材料迫在眉睫。聚乙二醇（PEG）水凝胶因其高亲水性、生物安全性,已广泛应用于生物医学领域中。除此之外,由于PEG水凝胶可产生的立体屏障、排除体积效应和渗透性排斥作用,因此其可明显减少生物材料表面的蛋白质吸附、细菌吸附、生物膜形成以及感染。壳聚糖是自然界中唯一含有氨基的阳离子多糖,具有优良的生物相容性,其带正电荷的氨基可与微生物细胞膜中的脂多糖和表面蛋白等阴离子成分结合,通过破坏生物细胞壁而起到广谱抗菌作用。然而,壳聚糖的低溶解性限制了其作为抗菌材料在人体组织的微环境中的应用。通过壳聚糖季铵化反应制成的2’-O-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖（2’-O-HTACCS）不仅可以提高水溶性,而且由于阳离子基团的增加其抗菌活性也获得了明显增强。同时,我们将PEG及其它一些光敏材料组成光响应PEG水凝胶,光响应水凝胶不仅具有时空可控性,还可精准控制水凝胶形状,以此在术前迅速完成对CIED的表面修饰。综上,本研究拟构建一种可快速反应的光响应PEG/2’-O-HTACCS抗菌水凝胶用于预防CIED囊袋感染。方法:1、光响应PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的构建及表征:通过化学交联且部分改进工艺,我们首先合成光响应PEG水凝胶及2’-O-HTACCS。钛片样品依次使用硫酸/过氧化氢溶液（H2SO4/H2O2）、氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）处理在钛表面修饰上羟基、氨基。然后,将预先混合的PEG/2’-O-HTACCS水凝胶匀覆盖在钛片表面,在紫外光的照射下,2’-O-HTACCS的氨基、PEG的羟基及钛表面的氨基通过羟胺化反应进行化学交联从而使水凝胶粘附在钛表面。最后,通过扫描电镜、X射线光电子能谱仪（XPS）、接触角分析等表征钛片硅烷化是否成功;通过粘附力试验检测水凝胶在不同钛表面的粘附力。2、光响应PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的安全性评价:本研究选用NIH/3T3细胞评价PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的体外细胞毒性,以及将负载水凝胶的钛片植入SD大鼠的皮下囊袋证明其生物相容性。体外实验中,本研究将NIH/3T3细胞与PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的浸渍液共培养,使用CCK-8试剂盒检测水凝胶的细胞毒性及活死细胞染色来评估水凝胶的体外安全性。体内实验中,本研究将负载水凝胶的硅烷化钛片植入SD大鼠的皮下囊袋中,通过囊袋、心、肝、肾组织的HE染色及血常规、肾功能、肝功能结果以评估水凝胶的生物安全性。3、光响应PEG水凝胶的抗菌有效性评价:（1）在体外抗菌有效性实验中,根据CIED相关感染的病原学特征,本研究选用了革兰阳性菌（表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌）和革兰阴性菌（肠杆菌、铜绿假单胞菌）四种代表性菌株。我们将四种细菌的菌液分别与对照组（单纯钛片组）及实验组（负载抗菌水凝胶的硅烷化钛片组）样品共培养,通过菌落计数、活死细菌染色及扫描电镜,评价PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的杀菌能力、抵抗细菌粘附力能力及其对细菌膜结构的影响。（2）在体内抗菌有效性实验中,我们在SD大鼠双侧背部制作了两个独立囊袋,并分别植入对照组、实验组样品及金黄色葡萄球菌菌液用以构建囊袋感染模型。在植入术后第3天、第7天,重新切开囊袋,通过对囊袋的大体观察、活死细菌染色及细菌定量分析评估炎症反应程度、细菌数量及细菌活力情况;通过HE染色评估囊袋组织的炎症细胞浸润情况;通过免疫组化及实时荧光定量PCR（qPCR）评估囊袋组织的炎症因子IL-1β和TNF-α表达水平。结果:1、光响应PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的构建及表征:（1）扫描电镜发现在高倍镜下观察到纯钛片的表面是平坦的,羟基化钛片表面的粗糙程度明显增加,硅烷化钛片表面则出现了结节结构。（2）XPS结果发现羟基化钛片表面氧元素明显增加,硅烷化钛表面氮、碳和硅元素分别增加到9.32%、9.21%和42.82%;而氧元素含量降至37.19%,钛含量降至1.46%。（3）接触角测量发现羟基化钛片水接触角从65.5±0.51°下降到41.3±1.0°,样品的亲水性增强;硅烷化钛表面水接触角增加到76.3±2.6°。（4）水凝胶粘附力检测结果发现,与钛片、羟基化钛片相比,水凝胶与硅烷化钛片的粘附力明显增强,粘附性能增加了2倍。综上,本阶段实验可证实钛片硅烷化成功,且可使水凝胶的粘附力明显增加。2、光响应PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的安全性评价:（1）体外安全性评价:（1）细胞活死染色显示NIH/3T3细胞与水凝胶浸渍液共培养1天、3天后细胞的数量、形态正常,未观察到明显的细胞死亡。（2）在共培养1天、3天及7天后,细胞增殖毒性实验未发现水凝胶有明显的细胞毒性。除此之外,在共培养3天、7天后,实验组的细胞活力比对照组更高。（2）体内安全性评价:植入术后第1天、7天及14天,实验组囊袋组织、心肌、肝脏、肾脏的HE染色均未见组织出现明显炎症细胞浸润、血管扩张、渗透性增加及纤维化。与对照组相比,实验组在血常规、肝功能和肾功能均未发现明显统计学差异。综上,本阶段实验证实PEG/2’-O-HTACCS水凝胶具有良好的生物安全性。3、光响应PEG/2’-O-HTACCS水凝胶的抗菌有效性评价:（1）在体外抗菌有效性实验中:（1）菌落计数实验发现,在共培养的各个时间段实验组菌落计数都明显低于对照组,尤其是在金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌及铜绿假单胞菌组,细菌数目下降90%以上。（2）细菌活死染色实验显示,实验组样品表面细菌染色都呈红色荧光,未见明显绿色荧光,且细菌数量明显减少。（3）微生物扫描电镜发现实验组样品表面粘附细菌数量显著减少,且细菌形态不规则,甚至出现了裂解。（2）在体内抗菌有效性实验中:（1）切开后囊袋的大体观察显示对照组出现大量白色脓性分泌物,而实验组未见明显脓性分泌物。（2）细菌定量分析及细菌活死染色结果发现相较于对照组,实验组细菌数量、细菌活力均明显降低,差异具有统计学意义。（3）HE染色发现对照组囊袋组织筋膜层有大量渗出液,并出现明显炎症细胞浸润情况,而实验组未发现明显渗出物及细菌浸润;（4）免疫组化及qPCR实验显示对照组囊袋组织的炎症因子IL-1β和TNF-α表达水平明显升高。综上,本阶段实验证实PEG/2’-O-HTACCS水凝胶具有优异的体外、体内抗菌性能。结论:本研究成功构建了一种光响应PEG/2’-O-HTACCS抗菌水凝胶,不仅拥有良好的生物安全性,还具有优异的体内、体外抗菌性能,可在术前快速固定于CIED表面,最终可用于预防CIED囊袋感染。