急性出血导致的死亡是军事冲突、事故和外科手术中的严重问题。快速止血对于院前护理中出血患者生存至关重要。然而，目前所用的快速止血材料的无机活性成分（如沸石、高岭土等）容易从敷料基材上脱落，进而带来局部炎症和远端血栓风险，严重时甚至需要截肢。例如高岭土浸渍敷料QuikClot战斗纱布在军队中应用最为广泛，然而高岭土与敷料纤维的结合较弱，掉落的高岭土已被报道存在严重健康风险。因此，开发一种牢固、高效、安全的止血敷料对降低出血控制中的风险具有重要意义。
近日， 暨南大学刘明贤课题组 利用了生物聚合物海藻酸与埃洛石纳米管（HNTs）之间的静电吸引和氢键相互作用，使HNTs受毛细力和离子键驱动向富含Ca 2+ 离子的棉纤维上组装。这种界面组装过程是牢固的，在经过苛刻的水洗处理后仍保持高凝血活性，且施用于伤口后几乎无HNTs残留。这种HNT-海藻酸-棉敷料（称为HAC敷料）具有协同的止血活性：（1）HNTs通过浓缩血液、激活血小板、提供负电荷表面和激活凝血因子等多种机制发挥强烈的促凝血作用；（2）Ca 2+ 离子是多种凝血通路的关键辅因子；（3）海藻酸可改变血液流变性能和聚集红细胞。这种设计不仅加速了血凝块的形成，而且止血活性材料不会残留于患处，在体外和动物实验中都展现优异的出血控制效果和高安全性。 该研究成果以“Assembly of Clay Nanotubes on Cotton Fibers Mediated by Biopolymer for Robust and High-Performance Hemostatic Dressing”为题发表在《Adv. Healthcare Mater. 》上（影响因子11.092，一区TOP）杂志上。该论文第一作者是暨南大学化学与材料学院2020级博士生 冯悦 ， 暨南大学刘明贤教授 和 路易斯安那理工大学的 Yuri Lvov 教授 为共同通讯作者。
图1 生物聚合物介导HNTs在棉纤维上的组装制备坚固止血敷料用于安全有效的出血控制 HNTs与海藻酸分子通过静电相互作用和氢键桥接，并与富含Ca 2+ 的纤维发生离子键合，通过蒸发在纤维界面上形成HNT-藻酸酸牢固网络（图2a-2d）。研究发现海藻酸可促使HNTs呈现液晶现象（图2e），暗示两者之间存在强的相互作用。TEM图像显示聚合物主要分布在HNTs的内腔（图2f）。HNTs的氢氧化铝内腔带正电，二氧化硅外表面带负电，从而吸引含羧基的负电荷海藻酸分子进入HNTs内腔。这种现象也增加了HNTs的总负电荷（图2f）。 FTIR光谱（图1h）进一步证实了HNTs和海藻酸分子之间的氢键相互作用（O-H ... O）。海藻酸的C=O伸缩振动和HNTs的Al-OH伸缩振动分别从1595 cm -1 和3626 cm -1 偏移到1652 cm -1 和3623 cm -1 。Si-O-Si伸缩振动也从1026 cm -1 移动到997 cm -1 。此外，将HNTs分散液滴入 Ca 2+ 溶液后观察到絮凝（图2j），此外，观察到HNTs的-OH峰向3548 cm -1 的移动，表明 Ca 2+ 和HNTs之间形成了H-O→ Ca 2+ 配位（图2k）。 Ca 2+ 的存在也将HNT-海藻酸中海藻酸的C=O伸缩峰从1607移至1600 cm -1 （图2l）。这些相互作用在HNTs在纤维上的牢固组装中起着至关重要的作用。
图3a展示了牢固组装过程示意图。该技术包括两个关键步骤：高 Ca 2+ 浓度的棉纤维制备技术和HNTs-海藻酸复合物在纤维表面的组装技术。高 Ca 2+ 浓度的棉纤维是通过将商业棉织物浸入 Ca 2+ 溶液（20 mM）中直至饱和后干燥获得的。亲水性多孔纤维的膨胀收缩过程（伴随着润湿和蒸发）使离子彻底渗透到纤维孔隙各处。同时，将具有不同海藻酸和HNT质量比的溶液（以0.6 wt%海藻酸和1 wt% HNTs为最佳）混合搅拌过夜。将高 Ca 2+ 浓度的棉纤维垂直于HNTs-海藻酸复合物分散液中并干燥以获得HAC。在此过程中，由于亲水织物的毛细作用力，具有一定粘度的HNT-海藻酸流体被吸引沿纤维缓慢向上移动；此外，界面处的高阳离子浓度驱使强负电荷性的HNT-海藻酸复合物向纤维界面富集并渗入孔隙各处。 随后的蒸发过程为纳米管组装提供了动力学支持，从而进一步在纤维上形成了坚固的HNT-聚合物网络。在蒸发过程中，液体三相（固-液-气）接触界面处的液体蒸发速率明显强于液-气界面处。因此，对流流动导致不断补充外边缘，形成纳米管在纤维表面的排列组装。作者发现进入HNTs管内的海藻酸分子提高了分散体的水分散性和稳定性，并且增加粘度进而阻碍HNTs的自由运动，有助于蒸发中纳米管的均匀有序排列。更重要的是，棉纤维中的 Ca 2+ 离子通过离子交联形成稳定的HNT-海藻酸- Ca 2+ 网络，蒸发稳定了穿过纤维的牢固“链”纠缠结构，将HNTs紧紧地锚定在纤维上。不论是HNTs-海藻酸，还是其复合体向高阳离子浓度的棉纤维界面富集，均利用了不同界面之间的相反电荷的静电吸引，再引入氢键和离子键以提高结合的稳定性。这种策略具有广泛普适性，有希望启发其他材料的牢固涂层和组装设计，并通过形成如共价键等实现更稳定的层间结合。 作者通过一系列的材料表征证实了HNT-海藻酸的成功涂覆，且有序排列的纳米管涂层均匀覆盖了每根纤维的表面，但不影响敷料纤维之间的疏松结构（图3b-3e）。热重分析显示，HAC敷料上的止血活性成分（HNT-海藻酸- Ca 2+ ）负载量约为34.2%（图3f）。
通过浸渍制备的HNTs棉敷料（HNTs-Cotton）不可避免的存在纳米材料脱落现象。而本工作制备的HAC敷料具有出色的坚固性（图4a）。水中超声处理后发现HAC敷料中超过80%的凝血活性成分得以保留，这可避免大量血流冲刷导致的止血活性降低（图4b）。体内荧光成像结果（图4c）也证明了HAC敷料上的止血成分极少残留于患处，可有效减少高凝活性的异物带来可能的健康风险。凝血测试（图4d-4f）证明，由于HAC敷料的牢固涂层防止了止血成分的损失，其优越的凝血活性在水处理后几乎不受影响。相比之下，QuikClot战斗纱布的止血成分在水处理后大量流失，导致凝血延迟。
图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敷料的凝血机制。流式细胞术结果（图5a和5b）说明HAC敷料可以显著促进血小板活化。固体表面电位结果（图5c）表明，HNTs和海藻酸显着增加了HAC敷料的表面负电荷，这为凝血因子的活化提供了优良界面。此外，还观察到HAC敷料上大量红细胞聚集，表明HNT-海藻酸- Ca 2+ 形成的聚合物网络有助于限制血流，并聚集红细胞（图5d，左）。还观察到纤维界面血小板活化，纤维蛋白原形成纤维蛋白从而进一步捕获血细胞（图5d，右）。在凝血弹力分析中（图5e和5f），HAC组的凝血综合指数CI（3.9）显着优于空白组（0.4），凝块形成时间（R值）也缩短。这一系列结果说明，HNTs涂层赋予了棉纤维高促凝活性的无机-生物接触界面，从而通过多种机制启发快速凝血。
图5 HAC的凝血机制和血细胞-涂层界面相互作用。 大鼠肝出血模型（图6a）用于评估敷料对内脏止血控制效果。观察到基于高岭土的QuikClot战斗纱布和含HNTs敷料（HNT-Cotton，HAC）均显著加速止血过程，并使伤口在3-4分钟内完全凝固从而减少多层敷料中的血液浸润，而棉敷料直到6分钟后仍在流血（图6c和6b）。与棉敷料失血3.06±0.90 g相比，HAC敷料和QuikClot战斗纱布将失血分别减少至1.31±0.46 g和1.40±0.25 g，而单独海藻酸涂层敷料（1.71±0.37 g）止血能力相对于粘土组稍弱（图6d）。相对于棉敷料的止血时间（385±137 s），粘土组明显加速了止血（QuikClot战斗纱布：235±20 s；HNT-Cotton：228±69 s；HAC：240±49 s），单独海藻酸涂层敷料加速凝血效果不显著（图6e）。
作者评估了HAC敷料对大鼠股动静脉大出血控制的效果（图7a）。与肝损伤模型结果类似，含有HNTs的各组均表现出色，都可以在3分钟在伤口形成凝块（图7b）。与棉敷料相比，HAC敷料分别减少了57%和59%的止血时间和失血量（图7c和7d）。所用敷料上的血液浸渍明显减少，敷料用量也从3块减少到1块（图7e）。HAC敷料与对照的棉敷料的止血过程细节见视频1和视频2。该模型中，HAC的止血效果略优于QuikClot战斗纱布，这可能是由于QuikClot战斗纱布上松散的高岭土被剧烈的血流冲走，导致性能下降。总之，高促凝活性的HNTs制备的敷料（无论是牢固结合还是松散结合）都具有优越的出血控制表现。
HNTs与海藻酸分子通过静电吸引与氢键相互作用可用于界面牢固组装。利用亲水的富 Ca 2+ 棉纤维的毛细效应和电荷静电吸引，可驱使HNT-海藻酸在纤维界面上粘附。棉纤维中的 Ca 2+ 通过离子键形成稳定的HNT-海藻酸- Ca 2+ 聚合物网络，并通过水蒸发稳定，进而实现了HNTs涂层在棉纤维上的牢固锚定。制备的HAC敷料止血活性成分不易脱落，伤口残留极少，在强烈超声处理后仍保持高止血活性，可以用于多种场合的快速止血，因此开发了一种高效、坚固、安全的止血敷料，具有重要的应用潜力。 上述工作得到了国家自然科学基金面上项目（52073121）、广东省自然科学基金项目（2019A1515011509）、广州市科技计划项目（202102010117）、中央高校基本科研业务费专项（21622406）等项目资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.202202265
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