大出血和傷口感染是導致在戰(zhàn)場上、日常生活中死亡的關鍵原因。常見的止血敷料由于吸血過量而導致不必要的失血量。同時，細菌感染很大程度上延緩了傷口愈合的進程。因此，開發(fā)高性能的止血材料在醫(yī)學上具有重要的應用意義。
近日，暨南大學劉明賢教授課題組通過定向冷凍干燥技術和非對稱性設計，整合埃洛石納米管（HNTs）、殼聚糖（CS）和膠原蛋白（CO）制備具有快速有效止血性能、抑菌性、生物相容性的止血敷料(CS1N1-1‰CO)。該研究成果以“Engineering Design of Asymmetric Halloysite/Chitosan/Collagen Sponge with Hydrophobic Coating for High-Performance Hemostasis Dressing”為題發(fā)表在國際學術期刊International Journal of Biological Macromolecules（影響因子8.025， 中科院一區(qū)）雜志上。該論文以暨南大學化學與材料學院2021級碩士研究生林曉瑩為第一作者，劉明賢教授為唯一通訊作者。
殼聚糖/膠原/埃洛石復合海綿是通過溶液共混-冷凍干燥法制備，制備流程圖如圖1A所示。將埃洛石和殼聚糖混合液置于模具中進行定向冷凍，液氮作為冷源，提供自下而上的溫度梯度來定向冷凍懸浮液。冰晶沿著冰凍方向生長，埃洛石和殼聚糖被擠到冰晶之間的界面以實現固液分離。最后通過冷凍干燥，冰晶通過升華變?yōu)闅怏w，留下軸向高度取向的多孔結構（圖1B）。SEM圖也可以看出，埃洛石均勻分布在殼聚糖中。圖1C中，HNTs特有的Al和Si元素均勻分布也說明了這一點。
圖1 定向冷凍干燥法制備埃洛石/殼聚糖復合海綿的流程圖和CS和CS1N1的橫截面和縱切面SEM圖。
圖2A 展示了埃洛石、殼聚糖、膠原蛋白相互作用的機理。殼聚糖和膠原蛋白上含有氨基和羥基，能與埃洛石上的鋁羥基和硅羥基發(fā)生氫鍵作用。殼聚糖和膠原蛋白帶正電與帶負電的埃洛石發(fā)生靜電吸引，使得他們之間具有良好的界面相互作用。圖2B的SEM 和圖2D的TEM直觀地展示了埃洛石、殼聚糖、膠原蛋白三者相互作用的結果。純的埃洛石是中空的管狀結構，邊緣清晰可見，而復合海綿中埃洛石表面包覆了一層有機層，使管邊緣變得模糊。這表明埃洛石和高分子接觸時，殼聚糖和膠原蛋白能夠吸附于埃洛石的外表面。另外，XRD、FTIR、ζ電位也證實了這一點。
圖2 埃洛石、殼聚糖和膠原蛋白的相互作用機制和表征。
為了比較定向與非定向冷凍干燥海綿吸收液體速率及吸收量，相同體積的海綿分別吸收了全血、血清、細胞培養(yǎng)基。圖3A可以看出，定向冷凍干燥的海綿在10 s時已經吸收了大部分血液，30 s時吸收基本完畢。不管吸收何種溶液，定向海綿表現出較大的吸收量和較快的吸收速率。這得益于定向冷凍技術賦予了海綿軸向有序、規(guī)則的孔隙通道，使海綿具有更高效的液體傳輸速率，這有助于在傷口大量出血時快速吸血。圖3F比較了CS, CS1N1 and CS1N1-1‰CO的密度、孔隙率和吸水能力，埃洛石的加入提高了殼聚糖海綿的密度和孔隙率。孔隙率是止血敷料的一項基本性能，具有高孔隙率的海綿具有較大的表面積，有利于血紅細胞的黏附和富集。同時，孔隙互聯能夠提供氧氣和營養(yǎng)，為細胞提供良好的生理環(huán)境，有利于傷口保持在潮濕的環(huán)境中，并促進細胞增殖和傷口愈合。CS1N1-1‰CO敷料具有生物可降解性（圖3E）和抑菌性（圖3I），對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現出高達99%的抑菌率（圖3J），有助于減少傷口相關并發(fā)癥以防止傷口受外部細菌感染，從而達到更好的止血和傷口愈合。
圖3 定向埃洛石/殼聚糖/膠原蛋白的性能。
圖4A 展示了非對稱性海綿的制備過程，通過在海綿的一面涂布一層PDMS，達到非對稱性的效果。為了測試PDMS疏水層對血液的阻隔情況，未涂布PDMS的海綿血液流失量達到73.5%，而非對稱性的海綿在吸血飽和后能在較長的一段時間內兜住血液不讓其往下流。圖4E疏水面水接觸角在15 min內僅從122.4o降低到109.4o，也證實了疏水面的疏水穩(wěn)定性。同時，涂布PDMS的海綿仍保持一些孔隙（圖4D），維持了止血敷料的透氣性。因此，PDMS涂層既能防止血液的反滲透，阻擋外界物質通過孔道進入傷口，降低傷口受感染的風險，還能維持止血敷料的透氣性，創(chuàng)面的空氣流通還可以促進凝血因子、血小板、纖維蛋白的聚集從而達到凝血。
圖4 非對稱性復合海綿的結構和性能。
作為與傷口直接接觸的材料，良好的生物安全性和細胞相容性是必不可少的。采用L929細胞（小鼠成纖維細胞）測定細胞相容性。用AM/PI進行熒光染色，如圖5A所示，梭形細胞均勻分布，如圖5B，在不同濃度的海綿浸提液的培養(yǎng)基共培養(yǎng)24 h和48 h，采用CCK-8檢測試劑盒檢測細胞活力，各組細胞活力均超過80%。圖5D中，復合海綿溶血度均低于5%，具有較好的血液相容性。圖5E凝血行為和圖5G凝血指數(BCI)表明CS1N1-1‰CO海綿具有較好的凝血性能。
圖5非對稱性海綿的細胞相容性和止血性能。
為了評估P-CS1N1-1‰CO海綿的止血性能，作者采用了SD大鼠股動脈損傷模型。圖6B中，血液能迅速滲透到紗布的外層，而非對稱性的海綿血液沒有滲透出來，外部的疏水層幾乎是干凈的。利用定向冷凍干燥方法賦予海綿軸向有序的孔道結構快速吸收血液，而疏水層能防止血液潤濕或過度滲透，達到促進血液凝固，減少失血量的效果。失血量和凝血時間都是令人滿意的，尤其是CS1N1-1‰CO。P-CS, P-CS1N1, and P-CS1N1-1‰CO敷料的失血量分別為4.49 ± 0.14 g, 2.67 ± 0.77 g, 1.85 ± 0.30 g, and 1.52 ± 0.68 g (圖6C)，凝血時間分別為 279 ± 9 s, 210 ± 30 s, 190.5 ± 42.5 s, and 164 ± 24.54 s（圖6D）。
圖6 敷料對大鼠股動脈損傷的止血性能。
總之，該工作開發(fā)并證明了一種基于殼聚糖的非對稱疏水性和定向冷凍干燥技術的具有快速凝血和防止血液反滲透的傷口止血敷料的設計策略。具有疏水涂層的不對稱傷口敷料顯示出高效止血能力、生物相容性和抗菌性能，在傷口愈合中具有廣闊的應用前景。
該研究得到了國家自然科學基金（52073121）、廣東省自然科學基金（2019A1515011509）、廣州市科技計劃（202102010117）、中央高校基礎研究基金(21622406)、佛山國家高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)產業(yè)化創(chuàng)業(yè)團隊計劃項目組(2220197000129)、廣東省重點領域R&D計劃（2022B1111080007）、廣州市重點領域研發(fā)計劃(202103030003)的資助。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141813023010425
