四川大学华西医院解慧琪团队：用于急救止血和感染创面愈合的具有强效组织粘附性和促凝血活性的多交联水凝胶|BAM

近期，四川大学华西医院解慧琪团队在科爱出版创办的期刊Bioactive Materials上发表文章：基于多重交联策略，该团队开发了一种组织粘附性优异的多功能天然多糖基水凝胶。该凝胶具有促进血细胞粘附与聚集的生物活性，能实现兔肝脏损伤的快速止血。此外，水凝胶可以通过多途径加速感染创面的愈合，具有广阔的临床应用前景与转化价值。

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研究内容简介

在战争、事故和自然灾害中，无法控制的出血是死亡的主要原因。及时的创面处理是紧急止血的必要手段，可有效减少出血量，增加生存机会。临床上，缝合术和吻合术已成为创面处理的金标准。然而，这些方法不适用于急性、严重的创面。组织粘合剂的出现为复杂创面的处理提供了新策略。其具有无需麻醉、无二次损伤、防止感染、操作简便等优点。基于天然多糖的组织粘合剂具有优异的生物相容性、抗菌性和促进愈合的生物活性在急救止血和创面愈合中引起了广泛关注。然而，不足的力学性能和生物粘附性限制了它们的应用。为此，该团队利用动态共价键、光触发共价键和氢键的多重交联策略，开发了一种包含改性羧甲基壳聚糖、改性海藻酸钠和单宁酸的多功能组织粘附性水凝胶。该水凝胶包含两类共价键网络，赋予了水凝胶优异的力学性能：其一为光固化形成的共价键网络，在紫外光的激发下，甲基丙烯酸基团中的C=C可以发生自由基聚合形成三维网络，贡献了水凝胶的强度与硬度，维持了水凝胶的稳定性；其二是动态化学共价键。在中性条件下（pH=7-8）邻苯二酚基团和二羟基硼基、醛基与氨基分别形成硼酸酯键和席夫碱键，共同赋予水凝胶韧性和自修复能力。此外，单宁酸的加入进一步通过氢键等作用加强了凝胶网络（示意图1）。

示意图1：用于急救止血和感染伤口愈合的多功能水凝胶示意图。H (Non-P)通过动态共价键（硼酸酯键和席夫碱键）形成；H (P) 是通过动态共价键和光触发共价键形成的；H (P+T)是通过动态共价键、光触发共价键和 TA 引入的氢键形成的。

通过对水凝胶内部形貌、溶胀行为、降解行为和力学性能的表征与检测，作者证明了多重交联机理有效地提高水凝胶的稳定性和力学性能（图1）。

图1：H (Non-P)、H (P) 和 H (P+T) 的a) SEM 图像，b) 元素 (C, N, O, B) 分布和 c) 孔径，比例尺=200μm；水凝胶的d) 溶胀曲线和 e) 降解曲线；水凝胶的f) 应力-应变曲线，g) 压缩模量和 h) 压缩强度。

协同贻贝仿生、内聚力增强和自修复特性，水凝胶展现出优异的组织粘附性能，最大粘附强度为162.6kPa，是商业纤维蛋白胶的12.3倍。并且组织粘附性表现出对潮湿环境的稳定性，利于体内环境的应用。由于凝胶网络中包含席夫碱和硼酸酯等动态共价键，水凝胶表现出优异的自愈合能力（图2）。

图2：H (Non-P)、H (P)和H (P+T)的a) 搭接剪切强度和b) 界面韧性；c) 水凝胶浸泡48 h后的猪皮粘附测试和粘附表现；d) H (P+T)与猪皮之间的粘合界面的SEM图像，比例尺=200μm；e) 水凝胶与组织粘附机理示意图；f) 交替步应变扫描模式下水凝胶的流变曲线；H(P+T) 的g) 自愈性和h) 在不同时间点的自愈合效率。

作者对水凝胶的抗菌与抗氧化性能进行了评价。由于羧甲基壳聚糖固有的抗菌性能和单宁酸对于细菌的捕获作用，水凝胶对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都展现出优异的抗菌性。此外，由于水凝胶中包含单宁酸等抗氧化的物质与基团，水凝胶能有效降低细胞内的活性氧水平（图3）。

图3：大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在 PBS、H (P)、H (P+T) 和氨苄青霉素处理后的a) 存活情况和b) 存活率；各组对c) DPPH•和 d) PTIO•的清除效率；e) 流式细胞仪分析各组DCFH-DA染色的阳性率；各种处理后DCFH-DA染色的f) 荧光图像和g) 荧光强度，比例尺=200μm。

作者评价了水凝胶的细胞相容性和血液相容性，证明了水凝胶无明显的细胞毒性，不会引起溶血。通过大鼠皮下埋植实验证明了水凝胶组织相容性良好，在体内可降解，不会引起严重的炎症反应，组织坏死等问题（图4和5）。

图4：a) H (Non-P)、H (P)和H (P+T)对NIH-3T3细胞增殖的影响；b) 水凝胶处理3天后各组活/死染色荧光图像，比例尺=200μm；c) 水凝胶的溶血率（PC：0.1% Triton X-100，NC：PBS）；用水凝胶处理后HSF细胞划痕实验的d) 图像和 e) 迁移率，比例尺=200μm。

图5：a) H (Non-P)、H (P) 和 H (P+T) 组在皮下植入 7、14 和 21 天后的大体观；b) 埋植7、14和21天后 H (P+T) 的大体观；c) 皮下植入过程中剩余水凝胶质量的曲线；d) 水凝胶植入21天后的HE染色和CD86免疫荧光染色，比例尺=200μm（T：组织，M：材料，CD86 标记 M1 型巨噬细胞，DAPI 标记细胞核）。

作者验证了水凝胶可以促进红细胞和血小板的粘附聚集，展现出体外促凝能力。基于组织粘附和促凝血活性的双重止血机理，该水凝胶在兔肝损伤模型中显示出优异的止血性能，出血量为0.32g，仅为纤维蛋白胶的54.2%（图6）。

图6：纤维蛋白胶、H (Non-P)、H (P)和H (P+T) 的 a) 全血凝固时间和b) BCI；c) 不同时间点（5、30、60min）各组表面粘附的血小板数；d) 兔肝出血模型及水凝胶止血过程示意图；各组e) 止血过程图片 (比例尺=2cm)，f) 出血时间和g) 失血量。

作者通过大鼠感染的皮肤全层缺损模型证明了水凝胶具有促修复能力。由于出色的抗菌和抗氧化特性，水凝胶对感染伤口的愈合效率明显优于商业EGF凝胶和Ag⁺凝胶。通过组织学评价作者证明了水凝胶促进胞外基质再生和肉芽形成。此外，还说明了水凝胶能抑制过度的炎症反应和促进血管新生，进一步促进大鼠感染全层缺损皮肤的修复（图7和8）。

图7：PBS、EGF Gel、Ag+ Gel、H (P) 和 H (P+T) 组的a) 伤口照片，b) 伤口区域示意图和c) 创面愈合率；各组d) HE染色（红色箭头：血管，比例尺=200μm）、Masson染色（比例尺=400μm）和天狼星红染色（比例尺=100μm）；各组e) 第14天的上皮厚度和f) 第21天肉芽组织厚度。

图8：PBS、EGF Gel、Ag⁺ Gel、H (P)和H (P+T)组创面第7天的a) CD86免疫荧光染色和c) CD86⁺相对面积统计，比例尺=200μm；各组创面第21天的b) CD31免疫荧光染色和d)各组CD31⁺相对面积统计，比例尺=200μm；ELISA检测各组创面处e) 第7天的TNF-α和f) 第21天的VEGF含量。

综上，解慧琪团队研发的多功能水凝胶具有增强的力学性能、优异的生物粘附性、促凝血活性、止血性能和促感染创面愈合等多重功能，在急救止血和感染伤口愈合方面具有极大的应用价值。此外，多交联策略为新型组织粘合剂的设计提供了灵感。

02

论文第一/通讯作者简介

第一作者：邹晨宇

四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室硕士研究生。从事水凝胶材料、止血材料和软组织修复材料的研究工作。

第一作者：雷雄心

四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室博士，现就职于中国人民解放军陆军军医大学。从事水凝胶材料在消化道疾病治疗、急救止血和软组织修复的研究工作。

通讯作者：解慧琪

医学博士，研究员，博士生导师，四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室干细胞与组织工程研究室主任，骨科研究所副所长。主要从事细胞外基质材料与组织再生修复研究及产品转化、成体干细胞与组织工程学研究，作为项目负责人主持完成30余项国家及省部级科研项目，以第一/通讯作者发表论文80余篇。密切联系临床实际，专注研发具有自主知识产权的组织再生修复产品，以第一发明人申请国家发明专利30余项，授权20余项，PCT专利2项。研究团队将研究成果成功进行产业转化，已有5项生物材料与组织工程产品获得国家Ⅲ类医疗器械产品注册证，已上市用于临床惠及数百万患者。目前尚有5个产品正在进行临床试验。

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资助信息

该研究获国家自然科学基金（32171351）、四川大学华西医院“1.3.5”项目（ZYJC18002）和四川大学“医学+材料”中心Med-X创新项目（MCM202104）等支持。

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原文信息

Chen-Yu Zou^#, Xiong-Xin Lei^#, Juan-Juan Hu, Yan-Lin Jiang, Qian-Jin Li, Yu-Ting Song, Qing-Yi Zhang, Jesse Li-Ling, Hui-Qi Xie*. 

Multi-crosslinking hydrogels with robust bio-adhesion and pro-coagulant activity for first-aid hemostasis and infected wound healing. 

Bioactive Materials, 16, (2022) 388-402.

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Bioactive Materials是一本高质量英文期刊，目前已经被SCIE、PubMed Central、Scopus、Embase收录。同时本刊还入选了2019年中国科技期刊卓越行动计划--“高起点新刊”项目。

2022年Bioactive Materials 获得影响因子16.874 ，在Materials Science，Biomaterials领域排名第一。

位于《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区表》1区，TOP期刊。

CiteScore 2021: 14.3。