范杰教授Nat. Commun.：紧急止血救生衣--沸石棉纤维复合物

▲第一作者：余丽莎；通讯作者：范杰，朱艺涵；

通讯单位：浙江大学，浙江工业大学

论文DOI：10.1038/s41467-019-09849-9

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对于突发意外大出血的患者，无法控制的大血管出血和创伤组织广泛渗血是患者死亡的重要原因之一。及时有效的急救止血，能够为患者赢得宝贵时间，降低患者死亡率和致残率。然而，对于紧急止血材料同时提供快速，持久和安全的止血性能，极具挑战性的。在本文，我们采用原位无模板生长法，将介孔单晶菱沸石紧密结合到棉纤维表面，使得制备得到的沸石棉纤维复合物具备介孔/微孔，高促凝性和稳定性等优异性能。该止血材料经水流处理后（模拟大出血），仍然保持高的促凝血活性；在超声清洗 10 min处理后，菱沸石的脱落率<1 %。该止血材料的性能远远好于现有的粘土或沸石为基础的无机止血材料（如美国军队装备--作战纱布 Combat Gauze），在实际应用中表现为高促凝血性能，低活性组分缺失和高稳定性。本方法可以制备各种基于沸石棉纤维的纺织品，用于日常生活中的大出血控制，本文以止血纯棉 T-shirt 作为示范。

背景介绍

出血致死代表了一个重大的全球性问题，是癌症导致伤残调整生命年损失的近一半（7500万年/yr）[1]。在日常生活中，我们一般用干净的布，纸巾或纱布按住伤口部位直至出血停止。然而，这些材料一般不具备高效的止血性能，无法实现快速止血。对于动脉受伤等大出血患者，实现院前急救的快速止血对于确保出血患者的生存至关重要。一种理想的止血剂，安全性，功效，可操作性，可制造性，生物相容性和成本可控是必要参数，但大多数止血剂或敷料不能同时实现[2]。

目前，人们已经开发了一些无机止血材料，包括沸石和粘土，以加速血液的凝结同时不引入任何生物危害。这些无机止血剂主要通过以下三种机理发挥作用：i）从血液中吸收水分，浓缩血液成分；ii）激活血液的凝血通道；iii）提供物理屏障[3]。粘土具有层状的硅铝酸盐结构，在吸脱附水时，会不可避免地发生严重的收缩和膨胀，很大程度上导致粘土止血剂的活性组分损失。

作战纱布（Combat Gauze，Z-Medica），是一种粘土（高岭土）浸渍纱布，是 Co-TCCC(Committee on Tactical Combat Casualty Care，战伤救护委员会）推荐美国军方的紧急止血产品，目前作为重要的军队装备和救护车的急救器械。然而，对于大动脉等大出血，作战纱布活性成分高岭土的损失，使得其无法实现快速的止血；此外，脱落的粘土粉末容易黏附在伤口处，存在引发血管远端血栓的潜在风险[4]。

另一方面，沸石属于另一类结晶硅铝酸盐，具有笼状结构，典型的孔径为 0.4-1.2 nm，可以容纳水分子和带正电的离子，如 Ca²⁺ 和 Na⁺，这些都有助于通过静电相互作用捕获更多的水分子。这些相互连接的笼状结构构成了刚性的三维多孔网络，有利于水分子的快速扩散而不会引起结构变形。因此，沸石能提供物理和化学稳定性，同时吸收大量的水分子并与周围的介质交换离子。

目前，美国 QuikClot（Z-Medica）止血剂是一种 A 型沸石颗粒，该沸石颗粒必须通过粘合剂粘合，这不仅稀释活性组分，而且容易阻塞沸石的孔道[5]。使用 QuikClot 止血颗粒后，在伤口缝合前需要进行充分的清创，如生理盐水冲洗。到目前为止，尽管沸石具有显著的优势，但基于沸石止血材料仍然无法同时实现高效、稳定、安全三个重要参数。

研究出发点

一种理想的基于沸石止血材料，应该能够进行快速，持久和安全地止血。该设计要求：1）适当选择具有多孔网络的沸石，使得吸附分子能够快速吸附和扩散；2）沸石固定在合适的载体上，使得止血材料能持久使用；3）无毒且低成本的止血系统。菱沸石（CHA）常表现出优异的吸水性能，与很多高吸水能力的沸石相当（如 A 型沸石），有利于止血过程的血液浓缩。众所周知，微孔沸石具有优异的止血性能，归因于它们的高微孔率和大比表面积。在微孔沸石中引入介孔，进一步增加了孔径，中断沸石的微孔骨架并减少的扩散长度，所有这些将促进血液中水分子的更快吸收和扩散。棉纤维吸水性好，成本低，可通过编制成适用于不同伤口形状的止血织物，因此我们采用棉纤维作为沸石直接生长的载体。我们开发了一种原位无模板生长的方法，将介孔沸石 CHA（mCHA）生长到棉纤维表面，并使得棉纤维与沸石通过化学键紧密结合。

图文解析

❖材料制备和结构分析

采用原位无模板的成长法，以棉纤维为结构支架，在棉纤维表面诱导 CHA 沸石成核，制备得到介孔 CHA 沸石棉纤维复合物（mCHA-C）。合成的 mCHA-C 继承了棉纤维的柔软性，有利于与伤口充分接触；mCHA 和棉纤维之间的结合界面，表明沸石与纤维的紧密结合。此外，据我们所知，这是第一个无模板合成的介孔单晶 CHA 沸石，它完美地保留了微孔沸石骨架的物理化学性质和稳定性，同时通过中断骨架来产生介孔，从而大大增强物质的吸附和扩散能力。

▲Figure 1. Characterization of mCHA-C. (a) Photograph of mCHA-C. FE-SEM images of (b) mCHA-C, (c) mCHA zeolite on cotton and (d) mCHA zeolite after removing cotton fiber by calcination. HRTEM images and corresponding FFT of individual CHA crystals taken along the (e, f) [211] and (g, h) [10-1] zone axes, respectively. (i, m) CTF-corrected and denoised images using a Wiener filter at a defocus value of -630 nm and -22 nm respectively, (j, n) Cmm and P2 projection symmetry-imposed and lattice-averaged images, where the averaged in-channel contrast in Fig. 1j might originate from either adsorbate species or CTF effects (k, o) simulated projected potential maps with a point spread function width of 1.4 Å, (l, p) projected structural models of the CHA along [211] and [10-1] zone axes, respectively.

❖止血材料的稳定性

通过水洗处理、超声清洗处理以及小鼠背部伤口实验，证实了菱沸石（CHA）在棉纤维表面结合牢固，并能保持高的促凝血活性和稳定性，使得其能够适用于实际应用中各种复杂严重的出血状况。

▲Figure 2. Binding strength of hemostatic component and matrix. (a) Photograph of Im-zeolite-C, CG and mCHA-C after soaking into water. (b) Plasma clotting time of hemostats before and after washing with deionized water. Data values corresponded to mean ± standard deviation, n = 3. Error bars represent standard deviation. **P < 0.01, one-way analysis of variance (ANOVA). (c) Fluorescence imaging of mice skin wound before (left), during (mid) and after (right) being treated with Cy5-labeled mCHA-C and CG, respectively. (d) The relative residual weight of hemostatic component on mCHA-C (orange), Im-zeolite-C (violet), CG (turquoise) after different ultrasonic time.

❖止血性能评价

我们利用兔子股动脉出血致死模型实验，对比了美国军方止血装备作战纱布（CG，Z-Medica）与合成的 mCHA-C。mCHA-C（159 ± 12 s）的凝血时间明显优于 CG (392±56s)，失血量(6.1±1.4g)比 CG 组(10.3±3.7g) 减少约 40 %。此外，经 mCHA-C 止血后，伤口表面干净，有利于伤口的处理（如伤口缝合）。我们将上述的制备方式简单放大，制备了高凝血活性、稳定且安全的止血棉 T-shirt。

▲Figure 3. In vivo hemostatic capacity evaluation of hemostats. Quantitative analysis of hemostatic time (a) and blood loss (b) in the rabbit femoral artery injury model. Data values corresponded to mean ± standard deviation, n = 8. Error bars represent standard deviation. **P < 0.01, one-way analysis of variance (ANOVA). (c) Hemostasis was assessed upon manual pressure on the rabbit lethal femoral artery injury with cotton (left), CG (mid) or mCHA-C (right). (d) Image of mCHA/T-shirt.

总结与展望

介孔菱沸石与棉纤维的完美结合，使该复合止血剂在体外凝血实验和兔子股动脉出血致死模型实验中，都表现出优异的止血性能。它在出血控制方面的高效性和可穿戴性(吸湿性、柔软性、透气性、皮肤舒适性)，可以提供全时、即时和负担得起的保护，防止意外创伤出血引起的死亡。特别在低收入国家和战区中，对于无法立即就医的情况，紧急止血救生衣有希望解决危及生命的伤害，对未来止血材料的发展起到重要的推动作用。

参考文献

[1] Lozano, R., Naghavi, M., Foreman, K. & Murray, C. J. L. Global and regional mortality from 235 causes of death for 20 age groups in 1990 and 2010: a systematic analysis for the global burden of disease study 2010. Lancet 380, 2095–2128 (2012).

[2] Hickman, D. A., Pawlowski, C. L., Sekhon, U. D. S., Marks, J. & Gupta, A. S. Biomaterials and advanced technologies for hemostatic management of bleeding. Adv. Mater. 30, 1700859 (2018).

[3]. Pourshahrestani, S., Zeimaran, E., Djordjevic, I., Kadri, N. A. & Towler, M. R.Inorganic hemostats: the state-of-the-art and recent advances. Mater. Sci. Eng., C. 58, 1255–1268 (2016).

[4] Kheirabadi, B. S. et al. Safety evaluation of new hemostatic agents, smectite granules, and kaolin-coated gauze in a vascular injury wound model in swine. J. Trauma. 68, 269–278 (2010).

[5] Lee, G. S., Lee, Y.-J., Ha, K. & Yoon, K. B. Preparation of flexible zeolite tethering vegetable fibers. Adv. Mater. 13, 1491–1495 (2001).

课题组介绍

范杰，浙江大学化学系教授。2006 年，全国百篇优秀博士学位论文；2010 年，教育部新世纪优秀人才计划；2011 年，中国化学会青年化学家奖；2012 年，优秀青年基金；2012 年，浙江省杰出青年基金。范杰教授课题组自 2007 年建组以来，在 J. Am. Chem. Soc., Nano Lett., Nat. Commun., ACS Catal 等国际知名期刊上发表论文 70 余篇(总 110 余篇，总引用次数 > 7000)，拥有国际授权专利 2 项，中国授权专利 10 余项。目前课题组的主要研究方向包括：1)低链烷烃的选择性氧化脱氢；2)精细化工生产过程中的多相催化（侧重选择性氧化脱氢反应）；3)酶催化的多相化（主要应用于止血领域）。

课题组网址：

http://www.chem.zju.edu.cn/jiefan/links.htm

相关链接：学术名人堂：浙江大学范杰教授

朱艺涵教授目前就职于浙江工业大学化工学院。于2005和2010年分别在浙江大学竺可桢学院和化学系获得学士和博士学位，随后加入阿卜杜拉国王科技大学担任博士后研究员并于2013年担任研究科学家职位。于2016年入选“青年千人计划”，并加入浙江工业大学化工学院。课题组研究方向主要包括：1. 电子显微技术在纳米催化和能源材料中的应用；2. 低剂量电子显微技术的应用。目前在各综合、化学和材料类相关重要期刊共发表论文90余篇，总引用大于5000次。 获得了国际催化协会青年科学家奖、美国显微学会主席学者奖等奖项。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09849-9

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