福州大学杨黄浩/长春应化所丁建勋：一种具有强湿态组织粘附性的仿贻贝超分子止血水凝胶

不可控的大出血是发生在外科手术中和重大创伤后的一个重要问题。由于近年来发展起来的止血产品止血速度慢、力学性能低，对潮湿、可移动的组织黏附性很弱，仍然难以应用在动脉和内脏伤口的出血上。基于壳聚糖/单宁酸/丝素蛋白的超分子交联水凝胶具有良好的机械性能、出色的止血效率以及强湿态组织粘附性。这种性能良好的止血水凝胶可以实现高效快速止血，并且具有低成本、易批量化生产等优势，有望应用在救治动脉大出血及急性创伤致内脏出血领域。

近日，福州大学食品安全与生物分析教育部重点实验室杨黄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员课题组基于壳聚糖/单宁酸/丝素蛋白（CS/TA/SF）合作开发了一种用于动脉和内脏快速止血的仿贻贝超分子水凝胶，具有强湿态组织粘附性。

图文详解

1. CS/TA/SF超分子水凝胶的制备机理及止血性能概述

研究人员制备了一种10 s内即可完成超分子交联过程的生物可降解CS/TA/SF水凝胶，并将其应用于大鼠、兔各种大出血模型的快速止血。CS/TA/SF水凝胶的超交联网络，是由CS支链中的氨基/羟基、SF中的酰胺基与TA中的酚羟基分别形成氢键而构成的。TA作为一种天然的生物分子基粘合剂，对蛋白质具有较高的结合力，使得CS/TA/SF水凝胶能够与湿组织形成可逆的强相互作用。引入的CS组分可以加快血液吸收、并且具有良好的凝血能力和高的红细胞粘附性，进一步促进了大动脉止血的效率（示意图1）。

示意图1：CS/TA/SF超分子水凝胶的组成结构、交联网络及止血机制，可实现动脉、内脏等急性出血情形的快速止血。

2. CS/TA/SF水凝胶的形态、结构特性、力学性能及亲水性

如图1所示，CS/TA/SF超分子水凝胶微观形貌呈现多孔结构，具有出色的机械性能，包括拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。这主要是由于CS/SF优异的延展性和CS/TA/SF三组分超分子交联网络的存在。另一方面，CS/TA/SF凝胶在接触角实验中展现出优越的亲水性和吸湿性，主要归因于CS是一种亲水性聚合物，含有许多羟基（−OH）和胺（−NH 2）基团，而含酚羟基的TA也具有高度亲水性，在水中表现出良好的溶解性。此外，高度交联度CS/TA/SF水凝胶含有的稳定多孔结构有利于气体（O 2和CO 2）交换，吸收来自损伤表面的渗出物并抑制渗出物积聚，最终把伤口部位的有害影响降到最低。

图1. 根据正交实验设计的不同比例CS/TA/SF水凝胶的形态、结构特性、力学性能及亲水性。

3. CS/TA/SF水凝胶的止血性能和对湿组织剪切粘附强度

理想的止血材料应具有湿态强黏附作用，以促进快速凝血，减少失血。基于此，研究人员们通过对9组不同组分比例的CS/TA/SF水凝胶进行止血效果评价后，再分别检验其对湿组织的剪切黏附能力。在该体系中，一方面TA通过静电作用和氢键与SF、CS中的氨基酸结合，维持了CS/TA/SF水凝胶的结构稳定性；另一方面，水溶性TA含有亲水性多酚，其末端不仅能通过氢键进行自组装聚集，还可与蛋白质和肽等生物分子紧密结合，保证了CS/TA/SF水凝胶超强的湿组织粘附性。这种超分子网络结构对于吸收伤口渗出物、阻断红细胞和血小板作为止血剂的逃逸至关重要。如图2所示，CS/TA/SF水凝胶的止血机理，主要是通过CS与红细胞表面的阴离子相互作用形成阳离子团簇，从而诱导血小板聚集。其中，CS能被范德华力、静电力、氢键等非特异性作用力吸附在细胞表面，加速血液流动，加快红细胞凝血。并且，SF和TA与血小板和凝血因子的直接相互作用加速了血栓的形成，这三种材料的共聚进一步发挥了正向的协同止血作用。

图2. 不同比例CS/TA/SF水凝胶的止血性能和对湿组织剪切粘附强度。

4. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶的综合性能和生物安全性

研究者依据正交实验的设计原则，通过单组分水平性分析验证止血材料性能的代表实验，包括机械性能、亲水性、吸湿性、体外止血效率以及生物安全性，最终，确定了最优组分比CS2/TA1/SF1水凝胶的成分配比（图3A-H,J,K）。血液凝固是一个动态的过程，在这个过程中，每一个凝血元件都按一定的顺序有效地进行，并最终将纤维蛋白原转化为纤维蛋白。在本研究中，红细胞被CS2/TA1/SF1水凝胶的胺基聚集，并被超分子网络结构缠结（图3I）。这种CS2/TA1/SF1水凝胶很好地模拟了贻贝足蛋白的化学组成和分级纳米结构，更有利于红细胞的聚集和粘附，为天然止血材料的开发提供了有利前景。

图3. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶的机械性能、亲水性、结构特性、止血性能和生物安全性。

5. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶在大鼠各种创伤模型中的止血作用

为了证明CS2/TA1/SF1水凝胶作为临床止血材料的潜力，将材料用于治疗各种急性组织损伤，包括肝脏、心脏和动脉出血（图4A）。在肝脏上进行快速穿刺和切除止血时，与纱布包缠止血相比较，CS2/TA1/SF1水凝胶通过交联形成封闭剂能立即阻止失血，肉眼观察到快速完成伤口止血。心脏创伤模型中，CS2/TA1/SF1水凝胶能够耐受大鼠心脏跳动的强烈机械扰动，进一步证明了水凝胶的瞬时止血能力和有效的粘附性。测定肝脏、心脏创伤模型出血面积，水凝胶组出血面积仅为未治疗组的1/20，更直观的说明CS2/TA1/SF1水凝胶良好的止血效果（如图4B-C）。

图4. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶在大鼠各种创伤模型中的止血作用。

6. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶对兔大出血模型的止血作用

研究者构建兔大出血模型，进一步评估了CS2/TA1/SF1水凝胶的止血能力，为将其应用在重大死亡风险的急性大出血损伤提供理论基础。为此，将所研制的机械强度高、血液触发型恢复快、血液摄取量大、血液吸收速度快的注射型CS2/TA1/SF1止血水凝胶应用于兔的耳动脉、肝脏、心脏和股动脉大出血模型（如图5）。有意义的是，在对股动脉损伤模型的研究中，CS2/TA1/SF1水凝胶不仅在动脉血压下可稳定粘附，有效阻止出血，而且，止血后动脉的完整性和血液流动性也得以保留。在术后，CS2/TA1/SF1水凝胶也体现出良好的组织相容性，各项止血效果表明本材料具有优异的快速止血性能，是一种颇有应用前景的天然快速止血材料。

图4. 最优组分比的CS2/TA1/SF1水凝胶对兔大出血模型的止血性能、术前术后状态分析和止血性能评价。

该研究成果以“A mussel-inspired supramolecular hydrogel with robust tissue anchor for rapid hemostasis of arterial and visceral bleedings”为题，近期发表于生物材料高水平期刊Bioactive Materials（2021, 6: 2829-2040），论文共同第一作者为福州大学石油化工学院硕士生乔紫雯、生物科学与工程学院硕士生吕雪丽和福建省立医院小儿外科主任医师何少华。通讯作者为福州大学石油化工学院张进副教授、中科院长春应化所丁建勋教授和福州大学化学学院杨黄浩教授。

该工作得到国家自然科学基金、福建省自然科学基金、高分子材料科学工程国家重点实验室（四川大学）开放课题项目、清源创新实验室重点项目和福州大学贵重仪器设备开放测试基金的资助与支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.01.039

来源：高分子科学前沿

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