暨大劉明賢教授課題組《Adv. Healthc. Mater.》：生物聚合物介導(dǎo)埃洛石納米管在棉纖維上牢固組裝制備高效止血敷料

2022-11-14 來源：高分子科技

急性出血導(dǎo)致的死亡是軍事沖突、事故和外科手術(shù)中的嚴(yán)重問題。快速止血對(duì)于院前護(hù)理中出血患者生存至關(guān)重要。然而，目前所用的快速止血材料的無機(jī)活性成分（如沸石、高嶺土等）容易從敷料基材上脫落，進(jìn)而帶來局部炎癥和遠(yuǎn)端血栓風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至需要截肢。例如高嶺土浸漬敷料QuikClot戰(zhàn)斗紗布在軍隊(duì)中應(yīng)用最為廣泛，然而高嶺土與敷料纖維的結(jié)合較弱，掉落的高嶺土已被報(bào)道存在嚴(yán)重健康風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)一種牢固、高效、安全的止血敷料對(duì)降低出血控制中的風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

近日，暨南大學(xué)劉明賢課題組利用了生物聚合物海藻酸與埃洛石納米管（HNTs）之間的靜電吸引和氫鍵相互作用，使HNTs受毛細(xì)力和離子鍵驅(qū)動(dòng)向富含Ca²⁺離子的棉纖維上組裝。這種界面組裝過程是牢固的，在經(jīng)過苛刻的水洗處理后仍保持高凝血活性，且施用于傷口后幾乎無HNTs殘留。這種HNT-海藻酸-棉敷料（稱為HAC敷料）具有協(xié)同的止血活性：（1）HNTs通過濃縮血液、激活血小板、提供負(fù)電荷表面和激活凝血因子等多種機(jī)制發(fā)揮強(qiáng)烈的促凝血作用；（2）Ca²⁺離子是多種凝血通路的關(guān)鍵輔因子；（3）海藻酸可改變血液流變性能和聚集紅細(xì)胞。這種設(shè)計(jì)不僅加速了血凝塊的形成，而且止血活性材料不會(huì)殘留于患處，在體外和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中都展現(xiàn)優(yōu)異的出血控制效果和高安全性。

該研究成果以“Assembly of Clay Nanotubes on Cotton Fibers Mediated by Biopolymer for Robust and High-Performance Hemostatic Dressing”為題發(fā)表在《Adv. Healthcare Mater.》上（影響因子11.092，一區(qū)TOP）雜志上。該論文第一作者是暨南大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院2020級(jí)博士生馮悅，暨南大學(xué)劉明賢教授和路易斯安那理工大學(xué)的Yuri Lvov教授為共同通訊作者。

圖1 生物聚合物介導(dǎo)HNTs在棉纖維上的組裝制備堅(jiān)固止血敷料用于安全有效的出血控制

HNTs與海藻酸分子通過靜電相互作用和氫鍵橋接，并與富含Ca²⁺的纖維發(fā)生離子鍵合，通過蒸發(fā)在纖維界面上形成HNT-藻酸酸牢固網(wǎng)絡(luò)（圖2a-2d）。研究發(fā)現(xiàn)海藻酸可促使HNTs呈現(xiàn)液晶現(xiàn)象（圖2e），暗示兩者之間存在強(qiáng)的相互作用。TEM圖像顯示聚合物主要分布在HNTs的內(nèi)腔（圖2f）。HNTs的氫氧化鋁內(nèi)腔帶正電，二氧化硅外表面帶負(fù)電，從而吸引含羧基的負(fù)電荷海藻酸分子進(jìn)入HNTs內(nèi)腔。這種現(xiàn)象也增加了HNTs的總負(fù)電荷（圖2f）。

FTIR光譜（圖1h）進(jìn)一步證實(shí)了HNTs和海藻酸分子之間的氫鍵相互作用（O-H ... O）。海藻酸的C=O伸縮振動(dòng)和HNTs的Al-OH伸縮振動(dòng)分別從1595 cm^-1和3626 cm^-1偏移到1652 cm^-1和3623 cm^-1。Si-O-Si伸縮振動(dòng)也從1026 cm^-1移動(dòng)到997 cm^-1。此外，將HNTs分散液滴入 Ca²⁺溶液后觀察到絮凝（圖2j），此外，觀察到HNTs的-OH峰向3548 cm^-1的移動(dòng)，表明Ca²⁺和HNTs之間形成了H-O→Ca²⁺配位（圖2k）。Ca²⁺的存在也將HNT-海藻酸中海藻酸的C=O伸縮峰從1607移至1600 cm^-1（圖2l）。這些相互作用在HNTs在纖維上的牢固組裝中起著至關(guān)重要的作用。

圖2 HNT-海藻酸-Ca²⁺互作分析。

圖3a展示了牢固組裝過程示意圖。該技術(shù)包括兩個(gè)關(guān)鍵步驟：高Ca²⁺濃度的棉纖維制備技術(shù)和HNTs-海藻酸復(fù)合物在纖維表面的組裝技術(shù)。高Ca²⁺濃度的棉纖維是通過將商業(yè)棉織物浸入Ca²⁺溶液（20 mM）中直至飽和后干燥獲得的。親水性多孔纖維的膨脹收縮過程（伴隨著潤(rùn)濕和蒸發(fā)）使離子徹底滲透到纖維孔隙各處。同時(shí)，將具有不同海藻酸和HNT質(zhì)量比的溶液（以0.6 wt%海藻酸和1 wt% HNTs為最佳）混合攪拌過夜。將高Ca²⁺濃度的棉纖維垂直于HNTs-海藻酸復(fù)合物分散液中并干燥以獲得HAC。在此過程中，由于親水織物的毛細(xì)作用力，具有一定粘度的HNT-海藻酸流體被吸引沿纖維緩慢向上移動(dòng)；此外，界面處的高陽離子濃度驅(qū)使強(qiáng)負(fù)電荷性的HNT-海藻酸復(fù)合物向纖維界面富集并滲入孔隙各處。

隨后的蒸發(fā)過程為納米管組裝提供了動(dòng)力學(xué)支持，從而進(jìn)一步在纖維上形成了堅(jiān)固的HNT-聚合物網(wǎng)絡(luò)。在蒸發(fā)過程中，液體三相（固-液-氣）接觸界面處的液體蒸發(fā)速率明顯強(qiáng)于液-氣界面處。因此，對(duì)流流動(dòng)導(dǎo)致不斷補(bǔ)充外邊緣，形成納米管在纖維表面的排列組裝。作者發(fā)現(xiàn)進(jìn)入HNTs管內(nèi)的海藻酸分子提高了分散體的水分散性和穩(wěn)定性，并且增加粘度進(jìn)而阻礙HNTs的自由運(yùn)動(dòng)，有助于蒸發(fā)中納米管的均勻有序排列。更重要的是，棉纖維中的Ca²⁺離子通過離子交聯(lián)形成穩(wěn)定的HNT-海藻酸-Ca²⁺網(wǎng)絡(luò)，蒸發(fā)穩(wěn)定了穿過纖維的牢固“鏈”糾纏結(jié)構(gòu)，將HNTs緊緊地錨定在纖維上。不論是HNTs-海藻酸，還是其復(fù)合體向高陽離子濃度的棉纖維界面富集，均利用了不同界面之間的相反電荷的靜電吸引，再引入氫鍵和離子鍵以提高結(jié)合的穩(wěn)定性。這種策略具有廣泛普適性，有希望啟發(fā)其他材料的牢固涂層和組裝設(shè)計(jì)，并通過形成如共價(jià)鍵等實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的層間結(jié)合。

作者通過一系列的材料表征證實(shí)了HNT-海藻酸的成功涂覆，且有序排列的納米管涂層均勻覆蓋了每根纖維的表面，但不影響敷料纖維之間的疏松結(jié)構(gòu)（圖3b-3e）。熱重分析顯示，HAC敷料上的止血活性成分（HNT-海藻酸-Ca²⁺）負(fù)載量約為34.2%（圖3f）。

圖3 HAC敷料的制備和表征。

通過浸漬制備的HNTs棉敷料（HNTs-Cotton）不可避免的存在納米材料脫落現(xiàn)象。而本工作制備的HAC敷料具有出色的堅(jiān)固性（圖4a）。水中超聲處理后發(fā)現(xiàn)HAC敷料中超過80%的凝血活性成分得以保留，這可避免大量血流沖刷導(dǎo)致的止血活性降低（圖4b）。體內(nèi)熒光成像結(jié)果（圖4c）也證明了HAC敷料上的止血成分極少殘留于患處，可有效減少高凝活性的異物帶來可能的健康風(fēng)險(xiǎn)。凝血測(cè)試（圖4d-4f）證明，由于HAC敷料的牢固涂層防止了止血成分的損失，其優(yōu)越的凝血活性在水處理后幾乎不受影響。相比之下，QuikClot戰(zhàn)斗紗布的止血成分在水處理后大量流失，導(dǎo)致凝血延遲。

圖4 HAC敷料上止血成分的牢固性和耐水的凝血能力。

之后作者探究了HAC敷料的凝血機(jī)制。流式細(xì)胞術(shù)結(jié)果（圖5a和5b）說明HAC敷料可以顯著促進(jìn)血小板活化。固體表面電位結(jié)果（圖5c）表明，HNTs和海藻酸顯著增加了HAC敷料的表面負(fù)電荷，這為凝血因子的活化提供了優(yōu)良界面。此外，還觀察到HAC敷料上大量紅細(xì)胞聚集，表明HNT-海藻酸-Ca²⁺形成的聚合物網(wǎng)絡(luò)有助于限制血流，并聚集紅細(xì)胞（圖5d，左）。還觀察到纖維界面血小板活化，纖維蛋白原形成纖維蛋白從而進(jìn)一步捕獲血細(xì)胞（圖5d，右）。在凝血彈力分析中（圖5e和5f），HAC組的凝血綜合指數(shù)CI（3.9）顯著優(yōu)于空白組（0.4），凝塊形成時(shí)間（R值）也縮短。這一系列結(jié)果說明，HNTs涂層賦予了棉纖維高促凝活性的無機(jī)-生物接觸界面，從而通過多種機(jī)制啟發(fā)快速凝血。

圖5 HAC的凝血機(jī)制和血細(xì)胞-涂層界面相互作用。

大鼠肝出血模型（圖6a）用于評(píng)估敷料對(duì)內(nèi)臟止血控制效果。觀察到基于高嶺土的QuikClot戰(zhàn)斗紗布和含HNTs敷料（HNT-Cotton，HAC）均顯著加速止血過程，并使傷口在3-4分鐘內(nèi)完全凝固從而減少多層敷料中的血液浸潤(rùn)，而棉敷料直到6分鐘后仍在流血（圖6c和6b）。與棉敷料失血3.06±0.90 g相比，HAC敷料和QuikClot戰(zhàn)斗紗布將失血分別減少至1.31±0.46 g和1.40±0.25 g，而單獨(dú)海藻酸涂層敷料（1.71±0.37 g）止血能力相對(duì)于粘土組稍弱（圖6d）。相對(duì)于棉敷料的止血時(shí)間（385±137 s），粘土組明顯加速了止血（QuikClot戰(zhàn)斗紗布：235±20 s；HNT-Cotton：228±69 s；HAC：240±49 s），單獨(dú)海藻酸涂層敷料加速凝血效果不顯著（圖6e）。

圖6 敷料對(duì)大鼠肝臟損傷模型出血控制效果。

作者評(píng)估了HAC敷料對(duì)大鼠股動(dòng)靜脈大出血控制的效果（圖7a）。與肝損傷模型結(jié)果類似，含有HNTs的各組均表現(xiàn)出色，都可以在3分鐘在傷口形成凝塊（圖7b）。與棉敷料相比，HAC敷料分別減少了57%和59%的止血時(shí)間和失血量（圖7c和7d）。所用敷料上的血液浸漬明顯減少，敷料用量也從3塊減少到1塊（圖7e）。HAC敷料與對(duì)照的棉敷料的止血過程細(xì)節(jié)見視頻1和視頻2。該模型中，HAC的止血效果略優(yōu)于QuikClot戰(zhàn)斗紗布，這可能是由于QuikClot戰(zhàn)斗紗布上松散的高嶺土被劇烈的血流沖走，導(dǎo)致性能下降�？傊�，高促凝活性的HNTs制備的敷料（無論是牢固結(jié)合還是松散結(jié)合）都具有優(yōu)越的出血控制表現(xiàn)。

圖7 敷料對(duì)大鼠股動(dòng)靜脈損傷的止血性能。

HNTs與海藻酸分子通過靜電吸引與氫鍵相互作用可用于界面牢固組裝。利用親水的富Ca²⁺棉纖維的毛細(xì)效應(yīng)和電荷靜電吸引，可驅(qū)使HNT-海藻酸在纖維界面上粘附。棉纖維中的Ca²⁺通過離子鍵形成穩(wěn)定的HNT-海藻酸-Ca²⁺聚合物網(wǎng)絡(luò)，并通過水蒸發(fā)穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了HNTs涂層在棉纖維上的牢固錨定。制備的HAC敷料止血活性成分不易脫落，傷口殘留極少，在強(qiáng)烈超聲處理后仍保持高止血活性，可以用于多種場(chǎng)合的快速止血，因此開發(fā)了一種高效、堅(jiān)固、安全的止血敷料，具有重要的應(yīng)用潛力。

上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52073121）、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019A1515011509）、廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（202102010117）、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（21622406）等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.202202265

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（責(zé)任編輯：xu）

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