基于水性聚氨酯的抗菌导尿管涂层材料的制备与性能分析

1 水性聚氨酯的结构与性能

水性聚氨酯（WPU）是一种以水为分散介质的环保型高分子材料，具有良好的成膜性、柔韧性、生物相容性和可调控的物理化学性能，其基本结构由软段（多元醇）和硬段（异氰酸酯与扩链剂反应形成）构成，软段提供材料的柔软性和弹性，硬段则赋予材料强度与耐磨性，两者的相互作用形成微相分离结构，从而赋予水性聚氨酯优异的力学性能和稳定性 [1]。此外，为提升其在导尿管涂层材料中的综合性能，研究人员常通过引入羧基、磺酸基、季铵盐等亲水性或功能性基团，使 WPU 具备良好的亲水性与抗蛋白吸附能力，同时增强其抗菌性能、抑制细菌黏附 [2]。另一方面，通过调控亲疏水基团比例、分子链段的柔刚配比以及交联度，可有效影响涂层的拉伸强度、水接触角、透湿性与抗裂性等关键指标，从而实现对导尿管表面功能的精准调控。近年来，为实现抗菌、抗黏附与生物相容性的统一，越来越多研究致力于将银纳米粒子、季铵盐类抗菌剂、壳聚糖、石墨烯氧化物等功能性抗菌组分复合到 WPU 体系中，既保留其绿色环保和良好机械性能，又赋予其持续稳定的抗菌活性，为构建安全、长效、低毒的导尿管抗菌涂层材料提供了理论基础与材料支撑。综合来看，水性聚氨酯的结构设计和功能调控是实现导尿管抗菌性能与临床应用价值提升的核心所在。

2 抗菌导尿管涂层材料的制备方法

2.1 物理共混法

物理共混法是将抗菌剂与水性聚氨酯乳液通过机械搅拌、超声分散等物理方法混合均匀，然后将混合液涂覆在导尿管表面，干燥后形成抗菌涂层。常用的抗菌剂包括金属纳米粒子（如银纳米粒子、铜纳米粒子）、无机抗菌剂（如纳米氧化锌、纳米二氧化钛）、有机抗菌剂（如季铵盐、胍类化合物）等。例如，将银纳米粒子与水性聚氨酯乳液共混，制备出具有抗菌性能的导尿管涂层材料。银纳米粒子具有较大的比表面积和优异的抗菌活性，能够有效杀灭与涂层接触的细菌。然而，物理共混法存在抗菌剂与水性聚氨酯基体相容性差、易团聚、抗菌效果持久性不足等问题。为了改善抗菌剂的分散性，可采用表面修饰的方法对抗菌剂进行预处理，或者添加分散剂来提高抗菌剂在水性聚氨酯乳液中的稳定性[3]。

2.2 化学改性法

化学改性法是通过化学反应将抗菌基团引入水性聚氨酯分子链中，从而赋予材料抗菌性能。常见的化学改性方法包括接枝共聚、嵌段共聚等。例如，利用含氨基的抗菌剂与水性聚氨酯分子链上的异氰酸酯基团反应，将抗菌基团接枝到聚氨酯分子链上。这种方法制备的抗菌涂层与水性聚氨酯基体之间通过化学键连接，具有良好的稳定性和抗菌持久性。此外，还可以通过设计合成含有抗菌结构单元的单体，然后与其他单体进行共聚反应，制备出具有抗菌性能的水性聚氨酯材料。化学改性法的优点是抗菌基团与聚氨酯分子链结合牢固，抗菌性能稳定，但合成工艺相对复杂，对反应条件要求较高。

2.3 层层自组装法

层层自组装法是利用聚电解质之间的静电相互作用，在导尿管表面交替沉积带正电荷和带负电荷的聚电解质溶液，形成多层复合膜。在组装过程中，可以将抗菌剂引入聚电解质层中，从而构建具有抗菌性能的涂层。例如，先将带正电荷的聚赖氨酸溶液涂覆在导尿管表面，然后再涂覆带负电荷的海藻酸钠溶液，如此交替沉积，形成聚赖氨酸 / 海藻酸钠多层膜。在聚赖氨酸层中可以负载银纳米粒子等抗菌剂，使涂层具有抗菌性能。层层自组装法制备的涂层具有良好的可控性和均匀性，能够精确控制涂层的厚度和组成，但组装过程较为繁琐，需要多次涂覆和清洗，生产效率较低[4]。

3 抗菌性能分析

3.1 抗菌机制

水性聚氨酯抗菌导尿管涂层的抗菌机制主要包括接触杀菌、释放杀菌和抗附着三种模式。接触杀菌是指涂层表面携带的抗菌功能基团如季铵盐、阳离子高分子等通过破坏细菌细胞膜结构而实现直接杀菌；释放杀菌则依赖于抗菌组分如银纳米粒子、壳聚糖等在体液环境中缓慢释放活性物质，对周围微生物起到持续抑制作用；抗附着机制主要是通过调整涂层的表面能、粗糙度及亲水性，抑制细菌的黏附与定植，从源头降低生物膜形成风险。此外，某些功能性材料如石墨烯氧化物或氧化锌纳米粒子可在光照或湿润环境下释放活性氧自由基，对微生物具有非特异性氧化破坏作用，从而增强抗菌广谱性与效率[5]。不同机制可单独发挥作用，也可协同存在，以实现涂层材料的持久、安全与高效抗菌目标。

3.2 抗菌性能测试方法

常用的抗菌性能测试方法包括定量抑菌率法、扩散法和菌膜抑制实验。定量抑菌率法主要通过接种一定量的细菌悬液于涂层材料表面，经一定时间孵育后取样培养计数，对比对照组前后菌落形成单位（CFU）的变化，计算涂层的抑菌率，是目前应用最广泛的方法；扩散法（又称平板扩散法）则是将涂层材料放置于接种有试验菌的固体培养基表面，观察其周围是否形成抑菌圈，适合检测抗菌剂释放型涂层的抑菌活性；而菌膜抑制实验则关注涂层对细菌生物膜形成的抑制能力，常采用结晶紫染色法或活 / 死菌荧光染色结合激光共聚焦显微镜观察菌膜形成情况。此外，还可使用扫描电子显微镜（SEM）或原子力显微镜（AFM）观察涂层表面微生物分布，以评估其抗附着效果。

3.3 影响抗菌性能的因素

影响水性聚氨酯导尿管抗菌涂层性能的因素较多，首先是抗菌剂的类型与浓度，不同抗菌组分具有不同的作用机制与抗菌谱，且其掺杂浓度需在保证抗菌效果的同时避免毒性和相容性问题；其次是抗菌剂的分散性与固定方式，均匀分布且稳定结合于涂层体系内的抗菌剂可提高其释放控制与表面活性，避免团聚或脱落导致的失效；第三，涂层的微观结构与表面特性亦是关键，表面粗糙度、接触角、水分吸附性等参数均会影响细菌的黏附行为；此外，制备工艺如涂布方式、干燥温度、交联程度等也会影响涂层的致密性与稳定性，从而间接影响抗菌效率。长期使用过程中的抗菌持久性亦与抗菌组分的释放速率、材料的力学性能和环境适应性密切相关，因此需综合考虑材料设计、加工工艺和使用条件三方面因素，以实现最佳抗菌效果 [6]。

4 结论

基于水性聚氨酯的抗菌导尿管涂层材料具有优异的成膜性、生物相容性及结构可调控性，能够通过不同方式实现抗菌功能的高效集成与协同增强。物理共混、化学改性与层层自组装等多种制备方法均可实现抗菌剂与聚氨酯基体的有效结合，满足不同临床需求。通过合理设计抗菌机制，优化抗菌组分的种类、分布与释放模式，可显著提升材料对常见泌尿系统致病菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等）的杀菌能力，并有效抑制细菌黏附与生物膜形成，从而延长导尿管使用寿命、降低感染风险。在性能评估方面，结合定量抑菌、扩散法和菌膜抑制等多指标测试，可系统评价涂层的抗菌持久性与稳定性。未来研究可进一步围绕抗菌剂绿色化、高效复合化及材料智能响应性展开，探索具有可控释放、自我修复与多功能集成的新型水性聚氨酯涂层系统，以实现更高生物安全性和更优临床适配性，推动抗菌导尿管在临床感染防控中的广泛应用与持续优化。

参考文献

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[2] 姚督生， 王敏嘉， 王光芒， 等. 生物基水性聚氨酯（BWPU） 的合成与生物应用研究 [J]. 广东化工 ，2024，51（21）：35-37.

[3] 王延蕾 ， 杨盼盼 ， 杨建军 ， 等 . 基于丁香酸改性的阳离子水性聚氨酯制备及抗菌性能 [J]. 精细化工 ，2025，42（06）：1265-1271+1330.

[4] 马维 ， 杨茜茜 ， 杨昱彤 ， 等 . 透明纤维素纳米丝 / 水性聚氨酯抗菌复合膜的制备及其性能研究 [J]. 化工新型材料 ，2024，52（11）：214-218+225.

[5] 开梓翔 ， 刘春 ， 刘宇翔 ， 等 ， 王子源 ， 郭亚雄 . 新型抗菌乳胶制备及其针对泌尿系统常见致病菌体外抑菌研究[J]. 生物医学工程与临床，2021，25（01）：1-5.

[6] 李育强 ， 智倩倩 ， 王晓丽 ， 等 . 新型导尿管超滑抗菌涂层的制备及生物安全性评价 [J]. 生物医学工程研究 ，2019，38（01）：105-110.