西安交大郭保林教授《自然·通訊》：新型超快自凝膠止血粉末問世！

不可壓縮性出血，即在戰(zhàn)場或平民事故中因創(chuàng)傷導(dǎo)致無法通過手動(dòng)或機(jī)械壓迫處理的出血（如截肢處或腹股溝等交界部位），是可預(yù)防死亡的主要原因。此類出血占軍人潛在可存活死亡的90%， civilian 創(chuàng)傷相關(guān)死亡的30-40%，是急救護(hù)理中的首要致死原因。傳統(tǒng)止血材料如紗布、海綿和膠水通常需要手動(dòng)或物理壓迫才能實(shí)現(xiàn)止血，在此類場景下效果有限。因此，迫切需要開發(fā)針對(duì)不可壓縮性出血的止血策略，以減少失血和縮短止血時(shí)間，從而顯著降低戰(zhàn)場和民用急救環(huán)境中的創(chuàng)傷相關(guān)死亡率。

西安交通大學(xué)郭保林教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于超快自凝膠、自膨脹粉末的止血策略。該粉末由聚丙烯酸、聚乙烯亞胺和發(fā)泡劑組成，通過膨脹堵塞、自凝膠粘附和激活凝血因子等多重協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)不可壓縮性出血的止血。這種止血粉末集快速物理交聯(lián)與自發(fā)氣體發(fā)泡于一體，具有快速凝膠化速率、高膨脹比、強(qiáng)組織粘附性，并能激活紅細(xì)胞、血小板和纖維蛋白。在大鼠肝臟容積缺損、股動(dòng)靜脈橫斷以及兔子鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷模型中，優(yōu)化后的配方均表現(xiàn)出優(yōu)于商用止血粉的性能。特別是在致命的豬鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷模型中，該材料相比紗布和XStat?展現(xiàn)出卓越的不可壓縮性出血控制能力。此外，它還能加速全層皮膚傷口愈合。這項(xiàng)工作展示了一種基于超快自凝膠和自膨脹機(jī)制開發(fā)不可壓縮性出血止血材料的策略。相關(guān)論文以“Ultra-fast self-gelling self-expanding self-propelling high-adhesion procoagulant hemostatic powder for non-compressible hemorrhage hemostasis in pigs”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究團(tuán)隊(duì)制備了一種具有超快自凝膠、自膨脹和自推進(jìn)特性的止血粉末。該粉末接觸血液后觸發(fā)快速凝膠化，并表現(xiàn)出良好的粘附和促凝特性。首先，通過多巴胺在蒙脫土上的自組裝獲得聚多巴胺改性蒙脫土，隨后將其摻入具有超快自凝膠和濕粘附特性的聚乙烯亞胺/聚丙烯酸粉末中，以增強(qiáng)其粘附性能和止血功效。為了賦予材料自膨脹和自推進(jìn)行為，同時(shí)協(xié)同加速凝血，團(tuán)隊(duì)引入了基于質(zhì)子化氨甲環(huán)酸和碳酸鈉的產(chǎn)氣策略。通過系統(tǒng)表征，優(yōu)化出了性能最佳的自凝膠膨脹止血粉末PP/PT5-TXA30。

圖1： 止血粉末的制備、應(yīng)用及止血機(jī)制示意圖。展示了具有增強(qiáng)凝血功能的快速自凝膠、自膨脹、自推進(jìn)、高粘附性止血粉末的制備流程。圖示了將該止血粉末注入豬鎖骨下動(dòng)靜脈橫斷出血模型的過程，及其相應(yīng)的促凝血和粘附機(jī)制示意圖。

該止血粉末展現(xiàn)出優(yōu)異的血液吸收能力和溶脹穩(wěn)定性。其聚合物網(wǎng)絡(luò)通過氫鍵等物理相互作用產(chǎn)生自發(fā)凝膠效應(yīng)，有效捕獲血液成分；引入的聚多巴胺改性蒙脫土納米填料憑借層狀結(jié)構(gòu)的高比表面積，產(chǎn)生了顯著的毛細(xì)吸附協(xié)同增強(qiáng)作用。粉末在接觸液體后能快速形成微凝膠單元，并在接觸界面自發(fā)進(jìn)行拓?fù)淅p結(jié)和重組，在2秒內(nèi)通過界面融合效應(yīng)形成完整的三維水凝膠網(wǎng)絡(luò)。流變學(xué)、單軸壓縮和拉伸測試表明，水凝膠表現(xiàn)出類固體的粘彈性行為，其機(jī)械性能可通過調(diào)整發(fā)泡劑濃度進(jìn)行精確調(diào)控，在保持足夠機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)可控膨脹。

圖2： 止血粉末的制備過程、血液吸收能力、溶脹行為、凝膠化性能及機(jī)械性能。a) PP/PT5-TXA30止血粉末制備關(guān)鍵步驟的代表性照片。b) 不同止血粉末血液吸收測量示意圖。c) 各種止血粉末的血液吸收率。d) 不同止血粉末的溶脹率。e) PP/PT5止血粉末接觸水后形成的預(yù)制成“X”形狀的自凝膠水凝膠（比例尺：20 mm）。粉末堆積后加水使其自凝膠并拉伸以展示凝膠化（比例尺：5 mm）。f) 止血粉末形成的水凝膠在37°C下的流變學(xué)特性。g) 止血粉末制備的水凝膠的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（最大應(yīng)變80%）。h) 止血粉末衍生的水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。i) 含有不同濃度TXA的預(yù)凝膠止血粉末的峰值拉伸應(yīng)力、峰值應(yīng)變、拉伸模量和韌性。

止血粉末的自膨脹和自推進(jìn)性能為其處理嚴(yán)重出血提供了創(chuàng)新解決方案。注入出血腔后，材料通過吸收血液和產(chǎn)生氣體迅速膨脹，對(duì)周圍組織施加壓力并緊密貼合傷口表面。同時(shí)，在自凝膠階段形成致密屏障。膨脹產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力使活性成分能夠自主滲入穿孔區(qū)域和深部狹窄傷道。模擬計(jì)算顯示，膨脹過程對(duì)腔壁產(chǎn)生的壓力和應(yīng)力遠(yuǎn)低于皮膚、血管、肌肉和神經(jīng)的斷裂強(qiáng)度或原位應(yīng)力，不會(huì)造成周圍組織的壓迫性損傷。其膨脹機(jī)制在于，質(zhì)子化氨甲環(huán)酸與碳酸鈉迅速反應(yīng)持續(xù)釋放二氧化碳?xì)馀荩瑫r(shí)物理交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)有效捕獲氣體，驅(qū)動(dòng)體積膨脹并建立穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)。

圖3： PP/PT5-TXA止血粉末的膨脹性能。a) PP/PT5-TXA30止血粉末接觸抗凝全血后的自凝膠、自膨脹和自推進(jìn)特性（比例尺：5 mm）。b) PP/PT5-TXA30止血粉末接觸抗凝全血后隨時(shí)間變化的體積膨脹率。模擬結(jié)果：使用ANSYS Workbench 2020R1中的流固耦合模塊模擬自凝膠止血粉末前體的膨脹過程。c) 應(yīng)力、d) 壓力、e) 體積和密度在0 s至8 s膨脹過程中的變化。f) 自凝膠止血粉末膨脹機(jī)制示意圖。

材料對(duì)軟組織具有強(qiáng)大的粘附強(qiáng)度和抗破裂壓力。以豬皮為基質(zhì)的搭接剪切測試表明，PP/PT5粉末的粘附強(qiáng)度顯著高于基礎(chǔ)PP粉末，這主要?dú)w因于聚多巴胺中兒茶酚基團(tuán)在組織界面的濕粘附作用以及聚合物與組織之間的界面擴(kuò)散結(jié)合。引入酸堿組分后，PP/PT5-TXA30粉末仍保持了約34.78 kPa的強(qiáng)勁粘附強(qiáng)度。得益于其組織粘附性，材料的密封能力通過破裂壓力測試得到進(jìn)一步驗(yàn)證，其破裂壓力顯著超過正常人收縮壓范圍，表明其能夠承受血流動(dòng)力學(xué)沖擊。

圖4. 止血粉末的粘附性能。 a-b) 展示PP/PT5-TXA30止血粉末在豬皮上具有強(qiáng)生物粘附性的照片（比例尺：10 mm）。c) 展示PP/PT5-TXA30止血粉末在大鼠肺、盲腸、胃、肝臟、腎臟、脾臟和心臟上具有強(qiáng)生物粘附性的照片（比例尺：10 mm）。d) PP/PT5-TXA30止血粉末組織粘附機(jī)制示意圖。e) 不同止血粉末在濕潤豬皮上原位吸收并凝膠化后的剪切粘附強(qiáng)度。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)（n = 8個(gè)獨(dú)立樣本）。統(tǒng)計(jì)分析采用雙尾Student's t檢驗(yàn)。* p < 0.05, **** p < 0.0001。f) 破裂壓力測試示意圖。g) 不同止血粉末在均勻壓力下的壓力-時(shí)間變化曲線。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)（n = 3個(gè)獨(dú)立樣本）。h) 不同止血粉末的破裂壓力與常人血壓范圍的比較。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)（n = 3個(gè)獨(dú)立樣本）。統(tǒng)計(jì)分析采用雙尾Student's t檢驗(yàn)。** p < 0.01, **** p < 0.0001。

該止血粉末還具有良好的抗菌能力、血液相容性、細(xì)胞相容性和體內(nèi)生物相容性。體外抗菌實(shí)驗(yàn)表明，其對(duì)大腸桿菌和耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的殺菌率均達(dá)到100%。溶血率測試顯示其血液相容性良好。與L929成纖維細(xì)胞共培養(yǎng)24小時(shí)后，細(xì)胞活性高于95%。在大鼠皮下植入實(shí)驗(yàn)中，材料僅誘發(fā)相對(duì)輕微的急慢性炎癥反應(yīng)。這些結(jié)果綜合表明該止血粉末具有良好的生物安全性。

體外凝血性能評(píng)估顯示，該粉末能有效促進(jìn)紅細(xì)胞、血小板和纖維蛋白的粘附和聚集。這得益于其高效的液體吸收和自膨脹特性、兒茶酚基團(tuán)與紅細(xì)胞的相互作用，以及帶正電的質(zhì)子化氨甲環(huán)酸與紅細(xì)胞之間的靜電相互作用。血漿再鈣化時(shí)間和動(dòng)態(tài)全血凝血測試進(jìn)一步證實(shí)了其強(qiáng)大的促凝血性能。

圖5： 止血粉末的體外凝血特性。a) 紗布、明膠海綿、殼聚糖HP粉末、PP粉末、PP/PT5粉末和PP/PT5-TXA30粉末吸收血液形成凝膠后粘附的血細(xì)胞SEM圖像（比例尺：20 μm）。b) PP/PT5-TXA30粉末吸收血液形成凝膠后表面和橫截面上粘附的血細(xì)胞SEM圖像（比例尺：20 μm）。c) PP/PT5-TXA30粉末、PP/PT5粉末和紗布吸收血液形成凝膠后粘附的血小板SEM圖像（比例尺：5 μm）。d) PP/PT5-TXA30粉末、PP/PT5粉末和紗布吸收血液形成凝膠后粘附的纖維蛋白SEM圖像（比例尺：5 μm）。e) 不同止血粉末的血漿再鈣化時(shí)間。f) 相同質(zhì)量（20 mg）的不同材料接觸等量血液120秒后的凝血狀態(tài)（比例尺：20 mm）。g) 相同質(zhì)量（20 mg）的每種材料在不同時(shí)間點(diǎn)的凝血指數(shù)。h) PP/PT5-TXA30粉末的止血機(jī)制示意圖。

在動(dòng)物模型中，該止血粉末展現(xiàn)了卓越的體內(nèi)止血性能。在大鼠肝臟容積缺損和股動(dòng)脈完全橫斷模型中，PP/PT5-TXA30粉末實(shí)現(xiàn)了超快止血，失血量顯著減少，止血時(shí)間大幅縮短，并顯著提高了生存率。在致命的兔子鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷出血模型中，該粉末同樣實(shí)現(xiàn)了快速有效的止血，失血量和止血時(shí)間均顯著優(yōu)于商用殼聚糖基止血粉。最終，在致命的豬鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷非壓迫性出血模型中，該自凝膠止血粉末展現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢，與紗布填塞加壓對(duì)照組相比，失血量減少98%，止血時(shí)間縮短96%，且應(yīng)用時(shí)間更短，為戰(zhàn)場環(huán)境中的黃金救治窗口提供了可能。

圖6： 大鼠肝臟容積缺損和股動(dòng)脈完全橫斷非壓迫性出血的止血。a) 大鼠肝臟容積缺損模型出血和止血示意圖。b) 應(yīng)用不同止血材料后出血和止血的照片（比例尺：30 mm）。c, d) 使用不同止血材料治療后出血量（c）和止血時(shí)間（d）的定量分析。e) 可注射超快自凝膠、自膨脹、自推進(jìn)粉末止血裝置在大鼠股動(dòng)脈致命性非壓迫性完全橫斷出血模型中應(yīng)用的示意圖。f) 出血量、g) 止血時(shí)間、h) 死亡時(shí)間、i) 死亡率、j) 大鼠心臟穿刺所致出血的止血效果示意圖和展示（比例尺：30 mm）。

圖7： 兔子鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷非壓迫性出血的止血。a) 可注射超快自凝膠、自膨脹、自推進(jìn)粉末止血裝置在兔子盲法鎖骨下入路致命性非壓迫性動(dòng)靜脈完全橫斷出血模型中應(yīng)用的示意圖。b) 失血量、c) 止血時(shí)間、d) 死亡時(shí)間、e) 死亡率、f) 對(duì)照組、殼聚糖HP和PP/PT5-TXA30止血粉末的止血過程和效果展示（比例尺：20 mm）。

圖8： 豬鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷非壓迫性出血的止血。a) 可注射超快自凝膠、自膨脹、自推進(jìn)粉末止血裝置在豬致命性非壓迫性鎖骨下動(dòng)靜脈完全橫斷出血模型中應(yīng)用的示意圖。b) 止血過程和效果展示（比例尺：30 mm）。c) 失血量、d) 止血時(shí)間、e) 應(yīng)用時(shí)間。

除了止血，該粉末在無縫合傷口閉合和修復(fù)方面也表現(xiàn)出潛力。在大鼠全層皮膚切口模型中，與生物醫(yī)用膠、手術(shù)縫合線相比，高粘附性止血粉末能實(shí)現(xiàn)即時(shí)、牢固且完全貼合的密封，并在兩周的隨訪期內(nèi)促進(jìn)更快的切口愈合，誘導(dǎo)更低的炎癥反應(yīng)和更高的微血管密度。

圖9： PP/PT5-TXA30粘附粉末對(duì)小鼠全層皮膚切口模型中傷口閉合和修復(fù)效果的體內(nèi)評(píng)估。a) PP/PT5-TXA30粘附粉末密封皮膚切口傷口的示意圖。b) 未處理組（對(duì)照組）、生物醫(yī)用膠、縫合線和PP/PT5-TXA30粘附粉末處理后傷口區(qū)域代表性照片（比例尺：5 mm）。c) 術(shù)后第14天各組愈合皮膚的最大拉伸強(qiáng)度。d, e) 第7天和第14天修復(fù)皮膚的H&E和馬松三色染色圖像（比例尺：500 μm）。f) 對(duì)照組、生物醫(yī)用膠、縫合線和PP/PT5-TXA30粘附粉末處理后第3天和第7天炎癥因子TNF-α的代表性免疫組化染色圖像（比例尺：50 μm）。g) 處理后第7天和第14天CD31的代表性免疫組化染色圖像（比例尺：50 μm）。h) 免疫染色圖像中TNF-α相對(duì)面積覆蓋度的量化。i) 免疫染色圖像中CD31相對(duì)面積覆蓋度的量化。

這項(xiàng)研究通過引入氣體發(fā)泡策略，開發(fā)出一種快速自凝膠、自膨脹、自推進(jìn)且促凝的止血粉末，為解決固體材料貼合性與液體配方穩(wěn)定性之間的固有矛盾提供了創(chuàng)新方案。該粉末便于攜帶、易于使用、滅菌和長期儲(chǔ)存穩(wěn)定性好，且無需手動(dòng)干預(yù)即可快速起效，在戰(zhàn)場和緊急情況下具有顯著優(yōu)勢。其快速高效的止血能力也為患有凝血障礙、酸中毒和低體溫的患者提供了解決方案。這項(xiàng)工作不僅展示了一種卓越的不可壓縮性出血止血材料，也為戰(zhàn)場創(chuàng)傷護(hù)理和個(gè)體自救提供了創(chuàng)新的解決方案，在軍事醫(yī)學(xué)和臨床轉(zhuǎn)化方面具有重要價(jià)值和廣闊前景。