武汉大学施晓文教授、钟自彪副教授、叶啟发教授团队 AFM：环境干燥的快速膨胀壳聚糖海绵用于不可压迫伤口出血控制和原位组织再生

2023-03-30 来源：高分子科技

出血控制，特别是不可压迫伤口止血，是世界范围内军事伤害和事故创伤所面临的巨大挑战。基于沸石的Quick Clot、壳聚糖止血粉、纤维蛋白基绷带等，通常难以控制由枪支、爆炸或锐器引起的躯干不可压迫性出血。海绵作为一种多孔弹性材料，是治疗深度创伤常用的材料，特别是具有良好膨胀性和高亲水性的形状记忆海绵能快速吸收血液并膨胀起到压迫止血的作用。壳聚糖是含有丰富氨基的生物活性多糖，在止血方面效果显著。但其结晶性导致纯壳聚糖海绵的力学强度和回弹能力差，开发高回弹性壳聚糖海绵在不可压迫伤口止血方面具有潜在应用。此外，壳聚糖海绵通常采用冷冻干燥技术成型，需要专门生产设备和高能耗，开发环境干燥的止血海绵有利于大规模生产。

图1 可膨胀壳聚糖海绵的制备

武汉大学资源与环境科学学院施晓文教授联合武汉大学中南医院钟自彪副教授、叶啟发教授团队报道了一种可用于不可压迫出血控制和原位组织再生的环境干燥快速膨胀壳聚糖海绵（CSF冷冻凝胶）。该海绵由大量的再生壳聚糖纤维自组装而成，具有优异的可压缩性和良好的力学强度。该海绵的生产无需依赖冷冻干燥设备和高温高压环境，具有成本效益和大规模生产的潜力。将壳聚糖海绵在乙醇环境中压缩并固定形状，并在室温下干燥，可以避免壳聚糖海绵在干燥后再压缩定型时材料的脆性断裂。该海绵具有高吸水性，通过毛细作用快速吸水并迅速膨胀。与对照组（纱布、明胶海绵和商业壳聚糖海绵）相比，具有高吸水性和高比表面积的壳聚糖海绵可以快速吸收血液，并聚集和粘附大量血细胞。此外，使用大鼠肝缺损非压迫性出血模型、大鼠股动脉损伤模型和新西兰兔腋静脉动脉横断模型，验证了壳聚糖海绵的体内止血性能。随后的肝脏再生实验进一步证明，它作为组织支架，引导肝组织与血管和胆管原位再生。所有结果表明，该壳聚糖海绵在治疗不可压迫性出血和严重致命高压出血方面有较好的应用前景。

图2 可膨胀壳聚糖海绵的形状记忆性

CSF海绵通过在乙醇环境中固定形状，可以在水中快速恢复形状。从结构上，压缩后的海绵具有丰富的毛细结构，高度亲水。在接触水分子时，壳聚糖海绵在水的塑性作用下释放存储的应力，仅1.7秒可恢复形状90%以上。此外，力学测试表明，该海绵还具有良好的弹性和力学强度，在水环境中抗压强度约为27 kPa，可承受80%的大应变，并完全恢复到水触发的初始高度.。这些特性有助于其在非压迫止血伤口部位快速膨胀，填充伤口，并且吸收渗出液，富集血细胞而帮助止血。

图3 可膨胀壳聚糖海绵的止血性能

大鼠肝缺陷不可压迫出血模型中应用止血材料后，出血量减少，止血时间缩短一半以上。其中，商用壳聚糖海绵和CSF海绵组的止血时间最短，分别为68 s和58 s（p < 0.01）。CSF海绵组的失血量最低，为0.34 g（p < 0.05）。CSF海绵对动脉出血同样具有较好的止血作用。股动脉穿刺模型中CSF海绵组的止血时间短于商业壳聚糖组（p <0.05）。CSF海绵由于其形状记忆特性而迅速膨胀并恢复高弹性，机械强度保持稳定，这有利于急救止血。

图4 可膨胀壳聚糖海绵的止血机理探究

凝血四项测试表明CSF海绵不依赖经典凝血途径，而是通过壳聚糖的正电荷促进止血。壳聚糖海绵的大孔特性和快速吸血特性支持血细胞与纤维蛋白原的快速粘附，多孔结构可减少液体阻力并促进血细胞渗入。血小板在CSF冷冻凝胶表面活化后与纤维蛋白缠结并收缩，红细胞在纤维框架内堆积促进凝血。

上述研究成果以“Fast expandable chitosan-fibers cryogel from ambient drying for noncompressible bleeding control and in situ tissue regeneration”为题在线发表于期刊《Advanced Functional Materials》上。该研究工作由武汉大学完成，武汉大学资源与环境科学学院博士研究生齐鲁荷和武汉大学中南医院穆兰馨博士研究生为论文共同第一作者，武汉大学资源与环境科学学院施晓文教授和武汉大学中南医院肝胆疾病研究院钟自彪副教授、叶啟发教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委，湖北省重点研发计划和武汉大学中南医院转化医学及交叉学科研究联合基金对该工作的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202212231

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（责任编辑：xu）

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