Theranostics︱吉林大学二院王旻/李建男团队综述：止血材料医学应用的最新研究进展
创伤后出血是引起人类创伤相关死亡的第二大原因，占所有创伤导致死亡的15%[1,2]。据报道，正常人体内的血液量约为体重的7-8%[3]，当失血量达到总血量的20%时，就很难维持正常的血量和血压，从而出现头晕和尿量减少等症状。当短时间内失血量超过40%时，如果不及时输血，就会出现危及生命的情况[4]。因此，控制出血程度很重要。小伤口是通过血管收缩、血小板形成和凝血等一系列过程来实现止血的[5]。正常情况下，在局部有大量粘附血小板和凝血因子的情况下，可以实现快速止血。然而，严重的创伤后出血需要积极的人为干预来促进凝血，因为大量失血有时会导致不可避免的严重并发症，例如截肢以及严重的感染，因此研制安全、高效、稳定的止血材料是重要的解决手段。市面上有很多止血材料，如Hemcon®(壳聚糖止血绷带)、psychadex®(马铃薯淀粉多糖颗粒)、QuickClot®(沸石止血粉)等，都能在一定程度上有效减少出血时间，同时具有一定的抗菌活性，但因存在可生物降解性差的问题，这些材料不能用于治疗复杂的伤口。因此，明确各种形式的止血材料的促凝血机制及优缺点，将有助于止血材料在未来医疗保健领域的发展。
近期，吉林大学第二医院王旻教授和李建男医生课题组在Theranostics上发表了题为“Recent advances in the medical applications of hemostatic materials”的综述文章。该综述总结了用于伤口愈合的止血材料的化学性质及其促凝血相关机制，并根据止血材料的活性成分将其分为四类，同时讨论了与各种活性成分相关的化学修饰；此外，作者还讨论了各种材料的不同制备方式及其用于止血的优缺点；最后，作者列举了止血材料主要的医学应用，并提出了目前开发止血材料的主要挑战和未来发展方向。
目前，天然聚合物、合成聚合物、无机材料和含金属材料均可被用于制备止血材料。止血材料的类型与其功能密切相关，不同形式的止血材料可用于治疗不同类型的伤口。
（1）天然聚合物
目前广泛使用的天然高分子止血材料是多糖和胶原蛋白。它们具有非刺激性、非免疫原性、非溶血性、组织相容性，并且是可以自然降解的。已深入研究的多糖止血材料包括壳聚糖、纤维素、透明质酸（hyaluronic acid, HA）和海藻酸盐。壳聚糖是从甲壳类动物的壳中提取的天然多糖，能提高血小板胞内钙离子浓度，促进血小板聚集和相互粘附[6]。但壳聚糖止血材料止血效果有限，不能有效控制大面积出血[7]。纤维素是一种大分子多糖，可快速吸水。纤维素填充出血部位，通过物理压迫来达到止血的目的[8]。纤维素含有酸性羧基官能团，能与血红蛋白中的Fe3+离子结合，形成棕色凝胶，有助于关闭毛细血管末端并止血[9]。HA是一种酸性粘多糖，是人体的天然成分，具有良好的生物相容性[10]。HA含有大量羟基，可与水分子形成氢键吸收水分，增加血小板和凝血因子浓度[11]。海藻酸盐，类似于HA，具有高吸水性，可以增加血小板和凝血因子的浓度。海藻酸盐可增加局部Ca2+浓度并加速凝血过程[12,13]。
胶原蛋白是一种多孔材料，在血液吸收后会膨胀，形成一个网，用于凝血和密封血管或伤口的裂缝。它能激活血小板，诱导二磷酸腺苷（adenosine diphosphate, ADP）、血栓素A2（thromboxane 2, TXA2）等生理性聚集剂的释放，使血小板发生不可逆聚集。它还可以作为血小板粘附基质，帮助形成止血血凝块[14-16]。纤维蛋白显著影响凝血过程，在凝血酶和Ca2+的作用下可形成不溶性纤维蛋白多聚体；多聚体捕获血小板和血细胞形成血凝块[17,18]。天然聚合物可以通过多种机制促进血小板聚集和活化，达到快速止血和促进创面愈合的目的。然而，天然聚合物价格高、力学性能差、易引起过敏反应等限制了天然聚合物止血材料的发展。
（2）合成聚合物
采用物理或化学方法合成的合成聚合物比天然聚合物更容易功能化。因此，这些材料在止血材料研究领域引起了极大的关注。合成聚合物主要包括水凝胶、聚乙二醇（Polyethylene glycol, PEG）、聚氨酯（polyurethane, PU）、聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚已酸内脂（polycaprolactone, PCL）和聚环氧乙烷（poly (ethyleneoxide), PEO）。大多数合成聚合物缺乏促进血液凝固所需的生物活性，因此它们一般作为止血材料的底物或交联剂。
水凝胶是由自组装多肽制成的溶液，可以迅速与血液凝胶化密封伤口。因此水凝胶可以用作止血剂。当肽溶液中的分子遇到血液中带电的氨基酸分子时，它们可以触发自组装和凝胶化的过程。自组装肽不易获得，制备过程成本高，一些肽在使用前需要预热和超声波处理，阻碍了水凝胶在实际工作中的应用。
PGE以其优异的性能被广泛应用于医疗领域。PEG水凝胶具有良好的吸水性能，可以增加伤口周围血小板和凝血因子的浓度，适用于外伤性器官损伤的止血闭合[19]。PU是一种合成高分子。PU泡沫可诱导凝血级联和血小板聚集[20]，PU海绵可以保持创面水分，促进组织修复过程。PVA吸水膨胀，可用于局部压缩和物理止血。PVA材料常用于人体狭窄腔体(如鼻腔[21,22]和肛门)的压缩止血，但PVA材料适用范围狭窄，不能用于凝血功能障碍的患者。PCL用于开发止血材料，可与壳聚糖[23,24,25]、明胶[23,26]、胶原纤维[27]、淀粉[23]等形成化合物，在不改变或改善止血性能的情况下，提高材料的生物相容性和降解性。PEO是一种水溶性聚合物，聚（环氧丙烷）（Poly (propylene oxide), PPO）不溶于水，具有生物相容性，性质稳定，通常与PEO结合制备高性能材料。
（3）无机材料
无机材料可以有效地用于止血。其中，沸石一直以其止血性能而闻名，它是一种多孔的结晶铝硅酸盐，其多孔结构允许正吸水，这有助于增加局部血小板和凝血因子的浓度；表面负电荷可激活带正电荷的凝血因子XII，引发内源性凝血的级联反应[28,29]。氧化石墨烯具有二维薄片结构，其表面含有大量含氧官能团，这些基团可以激活血小板引发聚集，并表现出良好的生物相容性和亲水性。因此，氧化石墨烯也可能用于创伤治疗[30,31]。
（4）含金属材料
各种含金属离子的材料已被有效地应用于止血领域。Ca2+显著影响生理凝血途径，可激活凝血因子X。它参与凝血酶原复合物的形成，并激活凝血因子XIII形成不溶性纤维蛋白多聚体，发挥止血作用[32-34]。银离子和铜离子化合物表现出优异的抗菌活性，锌离子锌被认为是一种血小板调节剂，可以促进血小板活化的过程[35]。含铈的球形介孔生物玻璃颗粒，有效缩短了凝血时间[36]，Fe3+和Mg2+也可用于止血材料的开发。
止血材料的有效性不仅取决于活性化学成分，还取决于要加工的材料的适当形式的选择。纳米纤维、水凝胶、纳米颗粒和海绵是常见的止血材料形式。
（1）纳米纤维
纳米纤维表面的高孔隙率有助于达到适度的伤口干燥，从而促进伤口愈合。纳米纤维根据制备方法可分为两种类型：纺丝技术和分子技术。采用上述方法制备的天然或合成聚合物纳米纤维，在严重或不规则损伤情况下，可有效粘附并激活血小板，促进止血和创面愈合过程。
（2）凝胶
水凝胶是由大分子骨架和包含亲水或疏水基团的侧链组成的三维网络。它可以利用交联网络吸收和保留大量的水，也可以提高局部血小板和凝血因子的浓度，缩短凝血时间[37]。水凝胶可以有效地附着在组织上，保持伤口部位湿润，止血，促进愈合。利用动态共价键(硼酸酯键和希夫碱键)制备了多功能生物胶水凝胶，优化了水凝胶的力学性能、抗菌性能和抗氧化性能，此外，利用兔肝出血模型获得了粘附能力提高的材料[38]。气凝胶是一种纳米级多孔固体材料，通过吸收伤口局部的水分来加速止血。
图1 基于羧甲基壳聚糖、海藻酸钠和单宁酸的多功能生物水凝胶及其在兔肝损伤模型中的应用
（图源：Zou CY, et al., Bioact Mater, 2022）
（3）海绵
海绵利用其致密的多孔结构来吸收伤口的局部水分，这会导致血小板浓度和凝血因子的增加。吸水性明胶海绵是最常用的止血材料。商业明胶海绵(如Gelatin Sponge®)比其他材料更便宜，并发挥止血作用。海绵的孔隙结构也提供了装载其他止血活性成分的可能性。
（4）纳米颗粒
纳米颗粒可被用于治疗较深和不规则的伤口，也可以用来装载其他止血活性成分或药物。纳米颗粒的使用可以保证所载成分或药物的稳定性和溶解度，促进跨膜转运，显著提高止血效果。商用明胶颗粒配方(Spongostan®)与PU纳米颗粒混合，可应用于大鼠神经外科模型[39]。
图2 PU NPs可以对脆弱的脑组织止血
（图源：Huang AP, et al., Mater Sci Eng C Mater Biol Appl., 2021）
三、医学应用
止血材料因其特性被应用于各个医疗领域，目前其伤口愈合及抗菌特性是研究的重点。此外，止血材料能有效降低肿瘤细胞因出血引起的扩散，因此这些材料正在被广泛研究，以开发用于外科手术。
（1）伤口愈合
近年来市售的止血材料，如Hemcon®（壳聚糖止血绷带）、TraumaDEX®（马铃薯淀粉多糖颗粒）和QuickClot®（沸石止血粉），可以有效减少出血时间，加速血液凝固，同时具有一定的抗菌活性，但其生物降解性差，且不能用于治疗复杂的伤口。
图3 纤维素/壳聚糖海绵可用于深层伤口止血
（图源：Fan X, et al., Mater Sci Eng C Mater Biol Appl., 2021）
（2）预防肿瘤复发
在恶性肿瘤的手术中，虽然一些商业止血材料如QuickClot®、戊二醛交联白蛋白[40]和纤维蛋白绷带[41]用于治疗浅表出血，但术中仍主要使用简单的纱布填塞。止血材料能改善患者预后，防止术后肿瘤复发，因此推荐使用止血材料实现快速止血。
（3）促进骨修复
骨损伤引起的出血可归因于松质骨损伤、松质骨结构疏松以及血流丰富。止血纱布、电凝或夹闭、胶原蛋白海绵充填等常规方法难以止血[42]。骨缺损复合填充材料以及一些无机材料都具有促进骨再生和修复的功能。
（4）用于眼部疾病
多种天然和合成聚合物已被开发成用于角膜封闭和修复的组织粘合剂。治疗角膜损伤的止血材料的选择应考虑以下相关特性:1)良好的生物相容性和生物降解性;2)透明度高;3)机械稳定性;4)对组织附着力高;5)促进内源性组织的再生;6)理化性能稳定，使用方便。
图4 以明胶为基础的天然粘附水凝胶(GelCORE)是修复角膜损伤的合适工具
（图源：Shirzaei Sani E, et al., Sci Adv., 2019）
（5）用于牙齿修复
外科医生选择合适的止血材料填充出血的伤口，以防止继发性出血或细菌感染。口腔是人体内仅次于肠道的第二大微生物栖息地。因此，壳聚糖的抗菌特性可以有效地用于口腔止血。此外，水凝胶相关材料也广泛应用于口腔颌面部手术以及牙周疾病。
图5 止血材料的化学成分、形式以及医学应用
（图源：李建男实验室）
研究围绕止血材料活性成分、材料形态和医学应用三个方面，讨论了使用不同的成分或材料开发止血材料的优点和缺点。基于壳聚糖的纳米纤维、止血海绵和水凝胶已在动物模型中使用，但对于大量出血的伤口并不能达到良好的效果。胶原蛋白、明胶和其他天然多糖可能会引起过敏反应。合成聚合物容易获得，并可以对其功能变性，但批量生产的合成聚合物生物活性较差。无机材料显示出长期的物理和化学稳定性，同时没有生物毒性。用于制备止血材料的各种金属离子赋予材料优异的抗菌性能，金属离子的加入也提高了材料的混凝效率。目前，大多数市售的止血材料都是为大而平的伤口设计的，因此应该开发针对于深而不规则伤口的材料。对于关节附近的伤口应开发与周围组织紧密粘附的柔性止血材料，以避免敷料脱出。设计能够模拟自然止血过程的智能止血材料是一个日益增长的趋势。例如，促进血栓收缩的血小板模拟物和促进血栓形成的纤维蛋白结构纳米纤维可能为新型止血材料的发展提供新思路。理想的止血材料应该具备以下特征：能迅速控制出血；易于加工或生物降解；适用于不同类型的伤口；具有良好的生物相容性；无细胞毒性；在储存过程中具有长期稳定性。
原文链接：https://www.thno.org/v13p0161.htm
第一作者：王旻教授；通讯作者：李建男医生
（照片提供自：李建男团队）
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本文完