今天为大家介绍的文献发表于《BioactiveMaterials》，题为“Amussel-inspiredsupramolecularhydrogelwithrobusttissueanchorforrapidhemostasisofarterialandvisceralbleedings”。
重要脏器创面引起的大出血往往会带来严重的健康危害，尤其是造成主动脉和脏器的破裂。受伤后如不及时治疗和止血，可能导致患者大量失血甚至死亡。因此，迫切需要一种能够对创伤引起的出血组织进行快速有效创面止血的密封剂。虽然许多商业化已经被开发用于实现快速止血，但仍因形状不规则，弹性低而难以运用于深度创口，同时这些材料在湿性组织表面粘连较弱，止血功能差，机械性不足等问题的存在也不适用于动脉和脏器创面。
为解决这一问题，福州大学食品安全与生物分析教育部重点实验室杨*浩教授课题组成员张进副教授与中科院长春应化所丁建勋研究院课题组制备了一种具有超分子物理交联网络结构的可注射止血凝胶：壳聚糖/单宁酸/丝素蛋白（CS/TA/SF）凝胶（如图1所示）。其中单宁酸的仿贻贝结构具有良好的湿态粘附性，且分子的酚基与组织生物分子中的蛋白质具有较高的结合亲和力；壳聚糖具有加速、强化血凝块的良好止血性能；丝素蛋白则具有优异的力学性能、透气性和丰富的来源。通过TA中酚羟基与CS支链上的氨基、羟基以及SF中的酰胺基形成氢键形成超分子交联结构，所得凝胶表现出了快速的血液吸收速度、优良的凝血性能、较高的红细胞粘附力和稳健的湿粘接性能，在动脉大出血及内脏出血领域具有显著优势。
图1.CS/TA/SF水凝胶的制备、运用于大动脉与内脏出血及交联结构示意图
为探索最佳比例，作者通过正交阵列设计了不同质量比的水凝胶（图2.A），其中CS4/TA1/SF4和CS1/TA4/SF4组分的水凝胶表现出最高的产率和最完整的形态。通过SEM图（图2.B）可观察到水凝胶基质中孔隙分布均匀，孔径在0.5~2.5μm之间。同时，超分子物理交联网络结构和一定程度的孔壁粗糙度有利于红细胞的粘附和聚集。通过拉伸试验（图2.C-E）测评水凝胶的机械性能，发现通过TA连结的CS/SF交联网络在具备较高拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率的同时表现出了优异的延展性。由于CS与TA中亲水基团的存在，水凝胶的接触角均小于90°（图2.F），表现出了良好的亲水性。FTIR(图2.G)与1HNMR（图2.H）图谱则进一步验证了CS/TA/SF水凝胶的结构形成。
图2.不同重量比CS/TA/SF水凝胶的结构和物理性能。
理想的止血材料应能促进快速凝血，减少失血。作者通过体外凝块形成模型讨论CS/TA/SF水凝胶的止血能力。将全血滴入水凝胶和聚丙烯培养皿中2分钟，比较它们的促凝效果。发现与全血对照组相比，CS2/TA4/SF1水凝胶的凝结速度明显加快，血液颜色变深（图3.A）。其促凝机制在于：CS在范德华力、静电力、氢键等非特异性力作用下吸附在细胞表面，促进血液流变学的改变，完成红细胞的凝血，SF和TA则通过与血小板和凝血因子的直接相互作用加速血液凝块，三者形成的超分子网络对吸收伤口渗出物和阻止红细胞和血小板作为止血剂的逃逸方面也至关重要（图3.B）。为系统研究CS、TA、和SF含量对血液凝血性能的影响，进一步探索了不同比例水凝胶的凝血性能（图3.C-F）。对比不同组分的止血效率，CS1/TA1/SF1,CS2/TA1/SF2,CS4/TA2/SF1,andCS2/TA4/SF水凝胶表现出90%以上的高止血效率，具有优异的血液凝结能力。图3.F通过正交实验的设计得到三种组分含量对凝血性能的影响。实际运用于体外凝血时，湿组织上的粘合强度对止血也至关重要。通过测定湿猪皮肤上的黏附强度、最大剪切粘合强度和延展性，可见水凝胶具有优异的湿粘附性能。
图3.不同重量比CS/TA/SF水凝胶的综合性能。
根据正交实验的设计原则，通过以上实验可确定综合性能最为优异的组分配比为CS2/TA1/SF1水凝胶，作者进一步表征了这一组分水凝胶的综合性能。图4.A和B表明水凝胶具有优异的机械性能和低接触角。在凝血实验中，这一组分水凝胶可在2′27″完全凝结（图4.C-D）。如图4.E-H所示，水凝胶的BCI值高于模拟体液（SBF），大约为SBF吸收血液量的两倍，表现出优异的血液吸收性能。随时间延长水凝胶表现出增加的凝血速率，相应血液吸收值降低。水凝胶对红细胞的粘附性能可通过图4.I的SEM图表征，可见超分子交联网络结构和CS的存在显著增强了红细胞在水凝胶表面的聚集和粘附。对LO2细胞进行细胞计数试剂盒-8(CCK-8)实验，定量评估细胞活力(图3.J)，细胞活-死染色图像如图3.K所示，可见大部分细胞存活良好，水凝胶细胞*性较低。
图4.重量比优化的CS2/TA1/SF1水凝胶的综合性能
为探究CS2/TA1/SF1水凝胶作为临床止血材料的潜力，作者通过血供丰富的特定脏器大鼠肝脏模型，将CS2/TA1/SF1水凝胶用于修复各种急性组织损伤，包括肝脏、心脏和动脉出血以测试凝胶的止血性能。在肝穿刺模型中，若未进行治疗或用纱布覆盖的情况下，观察到血从针孔中喷涌而出。而当针孔上的水凝胶存在时出血部位在几秒钟内迅速止血。在一条深5mm,长30mm细条创口以及大鼠尾部止血模型中，CS2/TA1/SF1水凝胶能够在伤口处通过肿胀形成密封胶，实现快速止血，且将出血面积减少至未治疗组的1/20。
图5.CS2/TA1/SF1水凝胶对大鼠各种损伤模型的止血作用。
为了进一步证明所提出的水凝胶对大出血的止血效果，作者同样将水凝胶运用于兔大出血模型。切断耳动脉再将水凝胶敷在创口上时，可观察到水凝胶与周围撕裂组织紧密贴合（图6.A）。对肝及心脏上的大出血创口（图6.B-C），水凝胶的存在可以缓解然后停止快速的出血状况，实现止血。为进一步证明所提出的水凝胶对大出血的止血效果，建立了致命的股动脉损伤模型。水凝胶可以在3min后无需外力自动止血，且在同一切口上进行二次止血实验也表明血管并没有被进行止血工作的水凝胶阻塞，仍然可以顺利流动（图6.D）。术后组织切片染色中血管内也未见血栓（图6.E）。术后平均动脉压（MAP）的连续测试表明水凝胶在创口处的应用不会对生物体基本生命活动造成影响。
图6.CS2/TA1/SF1水凝胶在兔各种大出血模型中的止血性能及术后分析
综上，为解决止血密封剂在严重动脉和内脏出血的及时止血的不足，作者开发了一种基于CS/TA/SF的超分子交联结构水凝胶作为一种高效的止血剂。首先，通过设计正交实验得到综合性能最优的成分组成为：CS2/TA1/SF1水凝胶。该水凝胶在表现出最佳的止血效率、充分的力学性能和优越的吸收能力的同时也具备较强的湿组织粘连性和CS固有的止血活性，使其在急性动脉和心脏损伤中具有协同的止血作，在大鼠及兔的出血模型中都表现出良好的止血性能且不影响生物体基本生命活动，其止血性能优于以往报道的其他止血材料。
供稿：XYH
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