西安交大郭保林教授《自然·通讯》：新型超快自凝胶止血粉末问世！

不可压缩性出血，即在战场或平民事故中因创伤导致无法通过手动或机械压迫处理的出血（如截肢处或腹股沟等交界部位），是可预防死亡的主要原因。此类出血占军人潜在可存活死亡的90%， civilian 创伤相关死亡的30-40%，是急救护理中的首要致死原因。传统止血材料如纱布、海绵和胶水通常需要手动或物理压迫才能实现止血，在此类场景下效果有限。因此，迫切需要开发针对不可压缩性出血的止血策略，以减少失血和缩短止血时间，从而显著降低战场和民用急救环境中的创伤相关死亡率。

西安交通大学郭保林教授团队提出了一种基于超快自凝胶、自膨胀粉末的止血策略。该粉末由聚丙烯酸、聚乙烯亚胺和发泡剂组成，通过膨胀堵塞、自凝胶粘附和激活凝血因子等多重协同效应，实现不可压缩性出血的止血。这种止血粉末集快速物理交联与自发气体发泡于一体，具有快速凝胶化速率、高膨胀比、强组织粘附性，并能激活红细胞、血小板和纤维蛋白。在大鼠肝脏容积缺损、股动静脉横断以及兔子锁骨下动静脉完全横断模型中，优化后的配方均表现出优于商用止血粉的性能。特别是在致命的猪锁骨下动静脉完全横断模型中，该材料相比纱布和XStat™展现出卓越的不可压缩性出血控制能力。此外，它还能加速全层皮肤伤口愈合。这项工作展示了一种基于超快自凝胶和自膨胀机制开发不可压缩性出血止血材料的策略。相关论文以“Ultra-fast self-gelling self-expanding self-propelling high-adhesion procoagulant hemostatic powder for non-compressible hemorrhage hemostasis in pigs”为题，发表在

Nature Communications

研究团队制备了一种具有超快自凝胶、自膨胀和自推进特性的止血粉末。该粉末接触血液后触发快速凝胶化，并表现出良好的粘附和促凝特性。首先，通过多巴胺在蒙脱土上的自组装获得聚多巴胺改性蒙脱土，随后将其掺入具有超快自凝胶和湿粘附特性的聚乙烯亚胺/聚丙烯酸粉末中，以增强其粘附性能和止血功效。为了赋予材料自膨胀和自推进行为，同时协同加速凝血，团队引入了基于质子化氨甲环酸和碳酸钠的产气策略。通过系统表征，优化出了性能最佳的自凝胶膨胀止血粉末PP/PT5-TXA30。

图1： 止血粉末的制备、应用及止血机制示意图。展示了具有增强凝血功能的快速自凝胶、自膨胀、自推进、高粘附性止血粉末的制备流程。图示了将该止血粉末注入猪锁骨下动静脉横断出血模型的过程，及其相应的促凝血和粘附机制示意图。

该止血粉末展现出优异的血液吸收能力和溶胀稳定性。其聚合物网络通过氢键等物理相互作用产生自发凝胶效应，有效捕获血液成分；引入的聚多巴胺改性蒙脱土纳米填料凭借层状结构的高比表面积，产生了显著的毛细吸附协同增强作用。粉末在接触液体后能快速形成微凝胶单元，并在接触界面自发进行拓扑缠结和重组，在2秒内通过界面融合效应形成完整的三维水凝胶网络。流变学、单轴压缩和拉伸测试表明，水凝胶表现出类固体的粘弹性行为，其机械性能可通过调整发泡剂浓度进行精确调控，在保持足够机械强度的同时实现可控膨胀。

图2： 止血粉末的制备过程、血液吸收能力、溶胀行为、凝胶化性能及机械性能。a) PP/PT5-TXA30止血粉末制备关键步骤的代表性照片。b) 不同止血粉末血液吸收测量示意图。c) 各种止血粉末的血液吸收率。d) 不同止血粉末的溶胀率。e) PP/PT5止血粉末接触水后形成的预制成“X”形状的自凝胶水凝胶（比例尺：20 mm）。粉末堆积后加水使其自凝胶并拉伸以展示凝胶化（比例尺：5 mm）。f) 止血粉末形成的水凝胶在37°C下的流变学特性。g) 止血粉末制备的水凝胶的单轴压缩应力-应变曲线（最大应变80%）。h) 止血粉末衍生的水凝胶的拉伸应力-应变曲线。i) 含有不同浓度TXA的预凝胶止血粉末的峰值拉伸应力、峰值应变、拉伸模量和韧性。

止血粉末的自膨胀和自推进性能为其处理严重出血提供了创新解决方案。注入出血腔后，材料通过吸收血液和产生气体迅速膨胀，对周围组织施加压力并紧密贴合伤口表面。同时，在自凝胶阶段形成致密屏障。膨胀产生的驱动力使活性成分能够自主渗入穿孔区域和深部狭窄伤道。模拟计算显示，膨胀过程对腔壁产生的压力和应力远低于皮肤、血管、肌肉和神经的断裂强度或原位应力，不会造成周围组织的压迫性损伤。其膨胀机制在于，质子化氨甲环酸与碳酸钠迅速反应持续释放二氧化碳气泡，同时物理交联的聚合物网络有效捕获气体，驱动体积膨胀并建立稳定的三维结构。

图3： PP/PT5-TXA止血粉末的膨胀性能。a) PP/PT5-TXA30止血粉末接触抗凝全血后的自凝胶、自膨胀和自推进特性（比例尺：5 mm）。b) PP/PT5-TXA30止血粉末接触抗凝全血后随时间变化的体积膨胀率。模拟结果：使用ANSYS Workbench 2020R1中的流固耦合模块模拟自凝胶止血粉末前体的膨胀过程。c) 应力、d) 压力、e) 体积和密度在0 s至8 s膨胀过程中的变化。f) 自凝胶止血粉末膨胀机制示意图。

材料对软组织具有强大的粘附强度和抗破裂压力。以猪皮为基质的搭接剪切测试表明，PP/PT5粉末的粘附强度显著高于基础PP粉末，这主要归因于聚多巴胺中儿茶酚基团在组织界面的湿粘附作用以及聚合物与组织之间的界面扩散结合。引入酸碱组分后，PP/PT5-TXA30粉末仍保持了约34.78 kPa的强劲粘附强度。得益于其组织粘附性，材料的密封能力通过破裂压力测试得到进一步验证，其破裂压力显著超过正常人收缩压范围，表明其能够承受血流动力学冲击。

图4. 止血粉末的粘附性能。 a-b) 展示PP/PT5-TXA30止血粉末在猪皮上具有强生物粘附性的照片（比例尺：10 mm）。c) 展示PP/PT5-TXA30止血粉末在大鼠肺、盲肠、胃、肝脏、肾脏、脾脏和心脏上具有强生物粘附性的照片（比例尺：10 mm）。d) PP/PT5-TXA30止血粉末组织粘附机制示意图。e) 不同止血粉末在湿润猪皮上原位吸收并凝胶化后的剪切粘附强度。数据以平均值±标准差呈现（n = 8个独立样本）。统计分析采用双尾Student's t检验。* p < 0.05, **** p < 0.0001。f) 破裂压力测试示意图。g) 不同止血粉末在均匀压力下的压力-时间变化曲线。数据以平均值±标准差呈现（n = 3个独立样本）。h) 不同止血粉末的破裂压力与常人血压范围的比较。数据以平均值±标准差呈现（n = 3个独立样本）。统计分析采用双尾Student's t检验。** p < 0.01, **** p < 0.0001。

该止血粉末还具有良好的抗菌能力、血液相容性、细胞相容性和体内生物相容性。体外抗菌实验表明，其对大肠杆菌和耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的杀菌率均达到100%。溶血率测试显示其血液相容性良好。与L929成纤维细胞共培养24小时后，细胞活性高于95%。在大鼠皮下植入实验中，材料仅诱发相对轻微的急慢性炎症反应。这些结果综合表明该止血粉末具有良好的生物安全性。

体外凝血性能评估显示，该粉末能有效促进红细胞、血小板和纤维蛋白的粘附和聚集。这得益于其高效的液体吸收和自膨胀特性、儿茶酚基团与红细胞的相互作用，以及带正电的质子化氨甲环酸与红细胞之间的静电相互作用。血浆再钙化时间和动态全血凝血测试进一步证实了其强大的促凝血性能。

图5： 止血粉末的体外凝血特性。a) 纱布、明胶海绵、壳聚糖HP粉末、PP粉末、PP/PT5粉末和PP/PT5-TXA30粉末吸收血液形成凝胶后粘附的血细胞SEM图像（比例尺：20 μm）。b) PP/PT5-TXA30粉末吸收血液形成凝胶后表面和横截面上粘附的血细胞SEM图像（比例尺：20 μm）。c) PP/PT5-TXA30粉末、PP/PT5粉末和纱布吸收血液形成凝胶后粘附的血小板SEM图像（比例尺：5 μm）。d) PP/PT5-TXA30粉末、PP/PT5粉末和纱布吸收血液形成凝胶后粘附的纤维蛋白SEM图像（比例尺：5 μm）。e) 不同止血粉末的血浆再钙化时间。f) 相同质量（20 mg）的不同材料接触等量血液120秒后的凝血状态（比例尺：20 mm）。g) 相同质量（20 mg）的每种材料在不同时间点的凝血指数。h) PP/PT5-TXA30粉末的止血机制示意图。

在动物模型中，该止血粉末展现了卓越的体内止血性能。在大鼠肝脏容积缺损和股动脉完全横断模型中，PP/PT5-TXA30粉末实现了超快止血，失血量显著减少，止血时间大幅缩短，并显著提高了生存率。在致命的兔子锁骨下动静脉完全横断出血模型中，该粉末同样实现了快速有效的止血，失血量和止血时间均显著优于商用壳聚糖基止血粉。最终，在致命的猪锁骨下动静脉完全横断非压迫性出血模型中，该自凝胶止血粉末展现出绝对优势，与纱布填塞加压对照组相比，失血量减少98%，止血时间缩短96%，且应用时间更短，为战场环境中的黄金救治窗口提供了可能。

图6： 大鼠肝脏容积缺损和股动脉完全横断非压迫性出血的止血。a) 大鼠肝脏容积缺损模型出血和止血示意图。b) 应用不同止血材料后出血和止血的照片（比例尺：30 mm）。c, d) 使用不同止血材料治疗后出血量（c）和止血时间（d）的定量分析。e) 可注射超快自凝胶、自膨胀、自推进粉末止血装置在大鼠股动脉致命性非压迫性完全横断出血模型中应用的示意图。f) 出血量、g) 止血时间、h) 死亡时间、i) 死亡率、j) 大鼠心脏穿刺所致出血的止血效果示意图和展示（比例尺：30 mm）。

图7： 兔子锁骨下动静脉完全横断非压迫性出血的止血。a) 可注射超快自凝胶、自膨胀、自推进粉末止血装置在兔子盲法锁骨下入路致命性非压迫性动静脉完全横断出血模型中应用的示意图。b) 失血量、c) 止血时间、d) 死亡时间、e) 死亡率、f) 对照组、壳聚糖HP和PP/PT5-TXA30止血粉末的止血过程和效果展示（比例尺：20 mm）。

图8： 猪锁骨下动静脉完全横断非压迫性出血的止血。a) 可注射超快自凝胶、自膨胀、自推进粉末止血装置在猪致命性非压迫性锁骨下动静脉完全横断出血模型中应用的示意图。b) 止血过程和效果展示（比例尺：30 mm）。c) 失血量、d) 止血时间、e) 应用时间。

除了止血，该粉末在无缝合伤口闭合和修复方面也表现出潜力。在大鼠全层皮肤切口模型中，与生物医用胶、手术缝合线相比，高粘附性止血粉末能实现即时、牢固且完全贴合的密封，并在两周的随访期内促进更快的切口愈合，诱导更低的炎症反应和更高的微血管密度。

图9： PP/PT5-TXA30粘附粉末对小鼠全层皮肤切口模型中伤口闭合和修复效果的体内评估。a) PP/PT5-TXA30粘附粉末密封皮肤切口伤口的示意图。b) 未处理组（对照组）、生物医用胶、缝合线和PP/PT5-TXA30粘附粉末处理后伤口区域代表性照片（比例尺：5 mm）。c) 术后第14天各组愈合皮肤的最大拉伸强度。d, e) 第7天和第14天修复皮肤的H&E和马松三色染色图像（比例尺：500 μm）。f) 对照组、生物医用胶、缝合线和PP/PT5-TXA30粘附粉末处理后第3天和第7天炎症因子TNF-α的代表性免疫组化染色图像（比例尺：50 μm）。g) 处理后第7天和第14天CD31的代表性免疫组化染色图像（比例尺：50 μm）。h) 免疫染色图像中TNF-α相对面积覆盖度的量化。i) 免疫染色图像中CD31相对面积覆盖度的量化。

这项研究通过引入气体发泡策略，开发出一种快速自凝胶、自膨胀、自推进且促凝的止血粉末，为解决固体材料贴合性与液体配方稳定性之间的固有矛盾提供了创新方案。该粉末便于携带、易于使用、灭菌和长期储存稳定性好，且无需手动干预即可快速起效，在战场和紧急情况下具有显著优势。其快速高效的止血能力也为患有凝血障碍、酸中毒和低体温的患者提供了解决方案。这项工作不仅展示了一种卓越的不可压缩性出血止血材料，也为战场创伤护理和个体自救提供了创新的解决方案，在军事医学和临床转化方面具有重要价值和广阔前景。