不可控制的大規模動脈出血在戰場、緊急情況以及臨床環境中構成了重大的致命風險，全球30%以上的創傷性死亡是由過度失血引起的。目前，手術縫合、紗布敷料、電凝可通過收緊傷口、用力按壓或凝固電流，封閉創面出血部位、發揮止血作用，是臨床手術常用的止血方法。由于止血效率有限、技術操作繁瑣、炎癥反應嚴重、繼發性組織損傷，僅適用于靜脈出血的情況。嚴重創傷引起的出血控制仍然是全球臨床和日常生活中的一個嚴重問題。雖然，近年來發展的止血材料已經能夠終止大規模動脈出血，但一些主要的缺點包括施加紫外輻射、按壓以及使用過程中釋放熱能的必要性嚴重限制了它們的臨床應用，特別是對于深、不規則形狀的傷口。
一、研究內容
鑒于此，福州大學食品安全與生物分析教育部重點實驗室、清源創新實驗室生物分析與納米醫學科研團隊楊黃浩教授課題組成員張進教授基于貽貝和藤壺水泥蛋白的粘附機制，開發了一種具有可重復、優異持久粘附性以及多模式自愈合性的新型雙仿生水凝膠（C-CTS/SA-Ag-dECM），并用于心臟/大動脈止血。由于具有豐富的酚羥基、界面水的去除能力并協同酚-醌的動態氧化還原平衡反應，雙仿生多網絡水凝膠表現出超高的濕組織粘附性能。體外實驗證明，C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠具有良好的抗菌性能和生物相容性，進一步應用于兔/豬的多種器官出血模型。與商業紗布相比，水凝膠由于其強大的傷口封閉能力和激活止血屏障膜的協同作用在所有兔/豬創傷出血模型中均表現出優異的止血能力。這些結果表明，具有多功能特性的雙仿生止血水凝膠，為未來急性創傷出血的緊急治療提供了重要的應用價值。
該研究以題為“Mussel- and Barnacle Cement Proteins-Inspired Dual-Bionic Bioadhesive with Repeatable Wet-Tissue Adhesion, Multimodal Self-Healing, and Antibacterial Capability for Nonpressing Hemostasis and Promoted Wound Healing”的論文發表在國際頂尖期刊《Advanced Functional Materials》上。
【C-CTS/SA-Ag/dECM雙仿生止血水凝膠的制備機理與結構特性】
研究人員受貽貝和藤壺水泥蛋白粘附機制的啟發，制備了由氫鍵、靜電相互作用和陽離子-π鍵結合的雙仿生多鏈網絡粘合劑（圖1）。鄰苯二酚基團改性殼聚糖（C-CHI）的內源性止血與單寧酸（TA）的傷口封閉功能相結合，不僅促進紅細胞聚集從而實現快速止血，還很好的模擬了貽貝足蛋白（Mfp）側鏈的提取物（L-3,4二羥基苯丙氨酸，L-DOPA），充分提高粘合劑的濕粘附性。含有大量陽離子賴氨酸(Lys)和氨基酸的藤壺水泥蛋白（CP19K）是藤壺水泥-底物邊界的主要組成部分，其中的蛋白質將其氨基酸鏈折疊成β-sheet可形成大量氫鍵交聯點。而絲素蛋白（SF）包含與CP19K相似的β-sheet構象和產生氫鍵交聯的能力，提高材料韌性和水下粘附性能。為了進一步預防傷口感染和加速組織愈合過程，研究人員分別將銀納米顆粒（Ag NPs）和脫細胞化細胞外基質(dECM)引入到粘合劑中。從掃描電子顯微鏡圖像看出，C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠的微觀形貌呈現均勻多孔結構，有利于吸收傷口部位的組織滲出物，為細胞增殖提供足夠的空間，縮短組織再生周期。
圖1. 雙仿生止血水凝膠的組成結構。
【C-CTS/SA-Ag/dECM雙仿生止血水凝膠的粘附性能】
C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠不僅能粘在豬皮膚組織，還可以與各種材料表面上，包括橡膠、玻璃和金屬等產生緊密的粘附。這主要歸因于水凝膠和各種底物之間，通過氫鍵、配位鍵、陽離子-π鍵、π-π相互作用和金屬螯合產生共價/非共價結合，具有很強的粘附性（圖2A?C）。研究人員還提出C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠具有與貽貝相似的長期粘附特性。曾有報道稱，貽貝分泌的Mfp-3和Mfp-5蛋白確保濕組織粘附，而含有半胱氨酸殘基的Mfp-6蛋白則作為抗氧化劑，防止酚羥基氧化成醌基團。這種連續的氧化還原反應成為保證貽貝長期粘附的關鍵因素。在當前的系統中，SA-Ag的存在具有類似于Mfp-6蛋白的功能，它和TA之間的電子轉移在水凝膠中創造了一個動態的酚-醌氧化還原環境，以維持TA和C-CHI中大量的兒茶酚基團。因此，雙仿生止血水凝膠能在持續流動水下緊密粘附在聚苯乙烯皿上60 s，在連續攪拌水中與豬皮膚保持長達30天的粘附（圖2D和2E）。同時，在15個周期的剝離-粘合循環后，較于對照組的粘附強度有明顯優勢（圖2H）。
圖2. 雙仿生止血水凝膠的可重復粘附性能。
【C-CTS/SA-Ag/dECM雙仿生止血水凝膠的自愈合性能】
傷口與敷料協調配合、緊密接觸，有望加快止血速度，提高再生效率。傳統的水凝膠敷料在應力作用下容易形成裂縫，這可能會影響網絡結構的完整性，導致粘附功能喪失，并最終過早地從傷口部位脫落。此外，缺乏自愈合性能的水凝膠不能很好地處理不規則形狀的損傷，可能會提高傷口治療過程中細菌感染的概率，延緩愈合速度。在這種情況下，具有良好自愈合行為的止血水凝膠敷料可以抵抗因傷口活動或外力引起的意外撕裂，從而在整個修復過程中提供機械保護。在此，研究人員提出的C-CTS/SA-Ag/dECM雙仿生止血水凝膠具有動態的靜電相互作用和可逆的氫鍵，這使它們具有表現出理想的自愈合行為的高潛力，能夠實現加熱、空氣、水下多種模式下的愈合行為（圖3）。
圖3. 雙仿生止血水凝膠的自愈合性能。
【體外止血和生物相容性】
一種理想的止血敷料可刺激血小板在損傷組織中的積累，并促進血凝塊的形成。C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠的凝血指數(BCI)值在試驗期間(5?50 min)呈下降趨勢，表明水凝膠具有良好的凝血性能（圖4B）。這種良好的凝血行為可以歸因于C-CHI陽離子效應，它通過激活紅細胞/血小板迅速觸發凝血機制。利用掃描電鏡進一步分析了紅細胞在水凝膠表面的粘附和形態。從圖4C可以觀察到大量形態正常的紅細胞粘附在水凝膠表面，表明水凝膠捕獲紅細胞效果良好，且不影響其生理狀態。多孔結構以及細胞膜表面負電荷與水凝膠中氨基之間的靜電相互作用，增強了紅細胞的聚集能力。細胞毒性是止血劑和創面敷料在臨床應用中不可缺少的條件。采用人正常肝細胞（LO2）的LIVE/DEAD染色試驗和細胞計數試劑盒（CCK-8）試驗，研究水凝膠的細胞相容性（圖4D和4E）。試驗結果證實，研究人員提出的水凝膠具有良好的細胞相容性，可以作為一種有效的創傷止血劑進一步應用于體內。
圖4. 雙仿生止血水凝膠的體外止血和生物相容性實驗。
【雙仿生止血水凝膠在兔各種出血模型中的止血效果】
為評價雙仿生止血水凝膠在臨床止血應用的潛力，材料應用于多種體內出血模型，包括尾動脈截肢、耳動脈、肝臟、心臟穿刺等損傷，材料相應的止血效果如圖5A?C所示。與未治療組（對照組）和紗布組相比，水凝膠由于協同作用，在20 s內迅速止血。水凝膠可以緊密粘附在出血部位，通過形成機械屏障封閉傷口；同時，殼聚糖的陽離子效應可快速捕獲紅細胞和活化血小板，進一步加速止血。為了驗證所開發的水凝膠是否會影響機體的生命體征和基本生命活動，在整個手術過程中及時監測手術兔的心電圖（ECG）和平均動脈壓（MAP）。如圖5D所示，家兔的ECG和MAP指標在整個手術過程中的信號模式保持穩定，表明雙仿生止血水凝膠具有理想的生物相容性，對動物生命體征無不良影響。
圖5. 雙仿生止血水凝膠在各種兔出血模型中的止血性能評價。
【傷口愈合效果和抗菌性能評價】
具有抗菌性能的止血密封劑，將非常有利于提高傷口愈合的效率。由于C-CHI和Ag NPs的存在，所開發的水凝膠對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌展現出理想的殺菌效果（圖6A&F）。鑒于水凝膠具有良好的組織粘附性、抗菌性能和止血性能，研究人員通過構建兔皮膚切口模型，進一步研究了雙仿生止血水凝膠的皮膚創面愈合效果（圖6B）。各治療組的創面均處于閉合狀態，但修復程度不一致。未經治療的對照組出現明顯的瘢痕不均勻增生。與之形成鮮明對比的是，在C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠處理的傷口部位獲得了具有新表皮的再生光滑組織。圖6C?D的H&E染色和MT染色結果也進一步證明，C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠在加速皮膚組織再生效果和降低增生性瘢痕率方面具有作為理想傷口敷料的巨大潛力。
圖6. 雙仿生止血水凝膠體外抗菌性能和體內傷口愈合性能。
【水凝膠復合材料在豬致死性傷口的止血評價】
在重大事故或戰場上，心臟/主動脈損傷會導致嚴重的失血，并在短時間內導致死亡。因此，開發一種具有高止血效率的新型敷料對快速終止出血具有重要意義。本研究建立豬股動脈和心臟穿刺出血模型，進一步評價C-CTS/SA-Ag/dECM水凝膠在大規模致死性出血情況下的止血能力。圖7A和7B顯示，雙仿生止血水凝膠在沒有施加任何外力的情況下，實現對豬心臟/股動脈的止血效果，所開發水凝膠為臨床開發非加壓止血試劑提供了新的思路。考慮到，不規則形狀的小而深的傷口通常屬于最大劑量的出血模型之一，如戰場上的槍傷和臨時裝置爆炸引起的腔室出血。研究人員利用市售聚乙烯醇（PVA）海綿具有良好的吸水和膨脹能力與雙仿生水凝膠相結合，構建了一個致命的豬鎖骨下動脈出血模型，以驗證水凝膠-海綿復合材料對深層和狹窄傷口的止血效果。如圖7I所示，在保證止血效率的情況下，復合材料的使用量僅需純PVA海綿組的一半。這種雙仿生水凝膠與PVA膨脹海綿的結合，最大限度地結合了化學和物理止血的優勢，為非壓迫性深部傷口的急救治療提供了新的啟示。
圖7. C-CTS/SA-Ag/dECM 水凝膠和水凝膠-海綿復合材料在豬出血模型中的體內止血特性。
二、論文信息
論文共同第一作者為福州大學化學學院碩士生潘高星、石油化工學院碩士生李飛翰和福建省立醫院小兒外科主任醫師何少華。通訊作者為清源創新實驗室生物分析與納米醫學科研團隊負責人、福州大學楊黃浩教授及團隊成員張進教授
三、資助信息
該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、福建省科技重大專項、福建省自然科學基金、清源創新實驗室重點項目等基金的資助。并感謝福建省雛鷹計劃青年拔尖人才項目及福建省科協青年托舉人才項目對張進的大力支持。
四、原文信息
閩公網安備35050502100027