武漢大學AM：新型殼聚糖氣凝膠，實現不依賴凝血機制的快速止血

創傷性大出血，尤其是不可壓迫性出血，仍然是全球范圍內可預防性死亡的首要原因。在戰場上，此類出血占陣亡人數的90%；在平民創傷中，其致死率也高達30%至40%。臨床管理的一大挑戰在于，多達三分之一的嚴重創傷患者會并發創傷性凝血病，導致內源性凝血功能嚴重受損。目前臨床常用的止血材料，如高嶺土浸漬紗布、氧化纖維素和明膠海綿等，主要依賴激活或促進機體自身凝血級聯反應來發揮作用。然而，在凝血功能被抑制的病理條件下，這些材料的有效性急劇下降，形成了巨大的臨床未滿足需求。因此，開發一種不依賴于傳統凝血級聯反應，能夠快速、有效控制出血的新型止血材料，成為急救醫學和外科領域的迫切任務。

針對這一難題，武漢大學蔡杰教授、中南醫院葉啟發主任醫師合作開發了一種創新的雙交聯超高度脫乙酰化殼聚糖氣凝膠，實現了凝血非依賴的快速止血。該材料通過一種全新的“雙交聯分層毛細管-彈性記憶”機制發揮作用：定向冰模板技術構建的多級孔結構可快速吸收血液，觸發可逆氫鍵的釋放，而共價交聯網絡則儲存彈性勢能，驅動材料在與血液接觸后超快速自膨脹，形成穩定的物理填塞效應，從而機械性地封閉出血創面和血管。與此同時，陽離子化的殼聚糖網絡通過靜電作用促進紅細胞聚集和細胞粘附，在無需纖維蛋白形成的情況下即可實現有效封堵。這種結構-化學一體化設計的氣凝膠平臺，為凝血功能障礙情況下的急救止血提供了可轉化的全新策略。相關論文以“Coagulation-Independent Hemostasis Through Architecturally Programmed Chitosan Aerogels with Dual-Crosslinked Networks”為題，發表在Advanced Materials上。

首先通過溫和的堿溶解/中和路線制備了超高度脫乙酰化殼聚糖，并利用乙二醇二縮水甘油醚進行共價交聯，再結合雙向冷凍技術構建了各向異性的分級孔結構。圖1系統展示了該材料的制備流程與宏觀性能。從超高度脫乙酰化殼聚糖粉末（圖1b）到澄清溶液（圖1c），研究者利用雙向冷凍裝置（圖1d）引導冰晶定向生長，最終獲得了具有整齊排列孔隙的殼聚糖氣凝膠（圖1e）。這種氣凝膠展現了驚人的力學性能：僅0.0404克即可支撐起1公斤的重物（圖1f），其強度-重量比高達24700倍；其超低的密度（45–80毫克/立方厘米）使其能輕盈地置于花瓣之上（圖1g）。通過羅丹明B和熒光素鈉的摻入，可以直觀地看到材料內部相互連通的孔隙網絡（圖1h），且該制備工藝具有良好的可放大性（圖1i），為后續應用奠定了基礎。

圖1 雙交聯超高度脫乙酰化殼聚糖氣凝膠的制備與表征。 (a) 從超高度脫乙酰化殼聚糖溶液構建DC-UDCS氣凝膠的工藝流程示意圖，包括化學交聯形成DC-UDCS堿性凝膠、雙向冷凍生成具有定向冰模板的冷凍凝膠、隨后物理交聯得到DC-UDCS水凝膠，以及冷凍干燥獲得多孔DC-UDCS氣凝膠。 (b) 超高度脫乙酰化殼聚糖前體粉末的照片。 (c) 超高度脫乙酰化殼聚糖溶液的照片。 (d) 使用銅冷指結合液氮施加雙向溫度梯度的雙向冷凍裝置示意圖。 (e) 冷凍干燥后具有代表性的整體DC-UDCS氣凝膠樣品（3.5 × 2.0 × 0.8 立方厘米）。 (f) 力學性能展示照片：0.0404克氣凝膠支撐1公斤重物（強度-重量比為24700倍）。 (g) 輕盈的氣凝膠（密度：45–80 毫克/立方厘米）置于花瓣上。 (h) 羅丹明B（粉色）和熒光素鈉（橙色）的摻入證實了相互連通的孔隙結構。 (i) 大尺寸DC-UDCS氣凝膠展示了其可放大性。比例尺：1厘米。

為進一步揭示材料內部的微觀結構與形成機制，研究人員利用拉曼光譜和電子顯微鏡進行了深入表征。圖2展示了氣凝膠在冷凍過程中發生的顯著相分離：從冷凍前均勻分布的化學交聯凝膠（圖2a），到冷凍后聚合物鏈在冰晶間隙中高度富集，形成殼聚糖富集的孔壁（圖2b），三維重構圖像清晰地呈現了相互連通的孔道網絡（圖2c）。掃描電鏡圖像揭示了材料的高度各向異性：在沿冷凍方向的縱切面上（圖2d、e），可見平行排列的規整孔道（孔徑約38微米）；而在橫切面上（圖2f），則呈現蜂窩狀結構。高倍電鏡（圖2g）和原子力顯微鏡（圖2h）進一步顯示，孔壁由納米纖維網絡構成，這種多尺度的結構設計為快速液體傳輸提供了基礎。X射線衍射分析（圖2i-k）揭示了材料在交聯密度變化下的結晶行為演變，而壓縮測試（圖2l-n）則證實了雙交聯網絡對材料力學性能的調控作用：尤其在再水化（即工作狀態）下，高交聯度的DC-UDCS-2.0的彈性模量相比未交聯樣品提升了5.4倍，達到了356.8千帕，確保了其在濕態下的結構穩定性。

圖2 DC-UDCS-2.0的微觀結構演變、各向異性及交聯密度依賴性增強。 (a、b) 殼聚糖分布的拉曼圖譜（100 × 100 平方微米），展示了從冷凍前空間均勻的堿性凝膠（a）到冷凍后冰模板誘導的相分離結構（b），殼聚糖富集的壁（紅/綠色）圍繞冰模板化通道（藍色）。 (c) 三維拉曼重建圖（200 × 200 × 200 立方微米），揭示了相互連通的孔網絡。 (d–f) 掃描電鏡圖像展示了各向異性的孔形態：沿冷凍方向平行排列的通道（d、e）和垂直于冷凍方向平面的蜂窩狀橫截面（f）。 (g) 高倍掃描電鏡圖像顯示了相鄰孔壁之間的納米纖維橋接。 (h) 孔壁表面的原子力顯微鏡圖像。 (i–k) 具有不同EGDE:GlcN摩爾比的水凝膠（i）、氣凝膠（j）和再水化氣凝膠（k）的X射線衍射圖譜。 (l–n) 水凝膠（l）、氣凝膠（m）和再水化氣凝膠（n）的壓縮應力-應變曲線，展示了組成依賴性增強；插圖顯示了未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖對照樣品。

材料最獨特的功能在于其可編程的形狀恢復能力。圖3展示了這種“雙交聯分層毛細管-彈性記憶”機制的詳細過程。壓縮后的DC-UDCS-2.0氣凝膠（圖3a上排）在接觸水或乙醇等極性溶劑后，能夠在數秒內恢復原始形狀，而對丙酮、環己烷等非極性溶劑則無響應；相比之下，未交聯的殼聚糖氣凝膠（圖3a下排）恢復極為緩慢且不完全。水吸收動力學測試（圖3b）表明，交聯度最高的DC-UDCS-2.0可在2秒內達到飽和吸水，而低交聯樣品則需要30秒，這歸因于高交聯度維持了孔隙結構的穩定性，防止了壓縮后的孔道塌陷。掃描電鏡觀察揭示了微觀機制：壓縮時，材料發生可控的孔壁折疊（圖3c），但一旦接觸液體，水分競爭性地破壞氫鍵，釋放儲存的彈性應變能，驅動折疊的孔壁逐步打開（圖3d），最終完全恢復。而未交聯的樣品（圖3e、f）在壓縮后則發生了不可逆的結構塌陷。力學循環測試（圖3g-i）證實，再水化后的DC-UDCS-2.0氣凝膠在40次循環壓縮至60%應變后，其應力-應變曲線幾乎完全重合，表現出卓越的抗疲勞性。這一系列證據共同構成了DC-HCEM機制（圖3j）：共價交聯提供彈性骨架儲存能量，可逆氫鍵作為犧牲鍵在壓縮時固定形變，而分級孔道則確保液體快速滲透，解鎖犧牲鍵并觸發超快恢復。

圖3 雙交聯分層毛細管-彈性記憶機制使DC-UDCS氣凝膠具備溶劑觸發的形狀恢復和循環力學韌性。 (a) 壓縮后的DC-UDCS-2.0和未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖氣凝膠在接觸不同液體（水、乙醇、丙酮、二甲苯、叔丁醇和環己烷）后的照片。 (b) 不同交聯密度壓縮氣凝膠的水吸收動力學。 (c、d) 壓縮狀態下的DC-UDCS-2.0（c）和水觸發恢復后（d）的照片。 (e、f) 壓縮狀態下未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖（e）和再水化后（f）的相應掃描電鏡橫截面圖。 (g) 再水化DC-UDCS-2.0在漸進增加最大應變的循環壓縮下的代表性加載-卸載應力-應變曲線。 (h) 在60%應變下循環40次的應力-應變滯后回線。 (i) 循環依賴的能量耗散系數（ΔU/U）和最大應力。 (j) DC-UDCS（雙交聯）與未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖（僅氫鍵）的形變-恢復路徑示意圖。

除了力學性能，材料的生物活性和止血能力同樣關鍵。圖4評估了其抗菌、血液相容性及止血機制。抗菌實驗（圖4a）顯示，DC-UDCS-2.0對金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、大腸桿菌等多種臨床致病菌均能實現完全殺滅。掃描電鏡觀察（圖4b）證實，細菌在與材料接觸后，細胞膜發生嚴重破裂、內容物泄漏，細胞形態被徹底破壞。溶血實驗（圖4c）顯示，在所有測試濃度下（0.5–4.0毫克/毫升），材料的溶血率均遠低于5%的安全閾值（ISO 10993-4標準），證明了其優異的血液相容性。在模擬止血性能方面，壓縮后的DC-UDCS-2.0在接觸血液后16秒內即可產生超過40千帕的膨脹壓力（圖4d），這一數值遠超正常動脈壓（8-16千帕）并超過重度高血壓閾值（>24千帕），保證了有效的血管封堵。血塊形成實驗（圖4e）直觀地展示了DC-UDCS-2.0的快速血液固定能力：僅接觸30秒后，即使后續用水沖洗，血液也完全被固定在材料中，而普通紗布和未交聯殼聚糖樣品則出現大量血細胞分散流失。掃描電鏡觀察（圖4f、g）進一步揭示，未交聯樣品血液僅能停留在表面，而DC-UDCS-2.0憑借其快速恢復的分級孔結構，實現了血液的體相滲透，紅細胞和血小板被大量捕獲在材料內部，并在正常凝血條件下可見纖維蛋白網絡形成。綜合對比（圖4h）表明，DC-UDCS-2.0在血塊形成指數（8%）、壓縮強度（134千帕）和彈性模量（357千帕）等關鍵指標上均優于已報道的多種止血材料。其機制總結如圖4i所示：預壓縮氣凝膠接觸血液后，快速毛細管驅動血液浸潤，破壞氫鍵并釋放彈性勢能，產生機械填塞，同時陽離子殼聚糖通過靜電作用迅速富集血細胞，形成物理屏障，這一過程不依賴于凝血級聯反應。

圖4 DC-UDCS-2.0的抗菌功效、血液相容性和止血機制。 (a、b) 金黃色葡萄球菌、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、副溶血性弧菌和銅綠假單胞菌與未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖或DC-UDCS-2.0氣凝膠孵育后的細菌菌落照片（a）和相應的掃描電鏡顯微照片（b）。比例尺：2微米。 (c) 濃度為0.5–4.0毫克/毫升時的溶血率；插圖：上清液外觀（P，陽性對照；N，陰性對照）；虛線表示5%的安全閾值。 (d) 具有不同EGDE:GlcN比率的預壓縮DC-UDCS氣凝膠的時間分辨膨脹壓力；陰影區域表示正常動脈壓范圍。 (e) 標準紗布、戰斗紗布、未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖和DC-UDCS-2.0在0秒、30秒和加水后的血塊形成照片。 (f、g) 未交聯超高度脫乙酰化殼聚糖（f）和DC-UDCS-2.0（g）表面和內部血細胞粘附的掃描電鏡圖像；紅圈，紅細胞；黃圈，血小板；紫色箭頭，纖維蛋白纖維。 (h) DC-UDCS-2.0與已報道止血材料的血塊形成指數、壓縮強度和彈性模量比較。 (i) 提出的雙重作用機制示意圖：快速的DC-HCEM驅動的機械填塞與殼聚糖介導的止血和抗菌活性（通過靜電吸引、氫鍵和疏水相互作用）相結合。

在動物實驗中，DC-UDCS-2.0的優異止血性能得到了充分驗證。圖5展示了在大鼠肝臟缺損和股動脈穿刺模型中的實驗結果。在肝臟缺損模型中（圖5b），DC-UDCS-2.0能迅速控制出血，其止血時間（圖5d）和失血量（圖5c）均與高嶺土浸漬的軍用紗布相當，且顯著優于普通紗布。在更具挑戰性的股動脈穿刺模型（圖5e，血壓80-120毫米汞柱）中，DC-UDCS-2.0同樣表現出色，其止血時間（圖5g）和失血量（圖5f）與軍用紗布無顯著差異，遠優于普通紗布。相比之下，未交聯殼聚糖（UDCS）和非冰模板化對照材料（NIT-DC-UDCS-2.0）的止血效果均明顯較差，證明了雙交聯網絡與定向冰模板化結構協同作用的必要性。

圖5 DC-UDCS-2.0在大鼠肝臟和股動脈出血模型中的體內止血效果。 (a) 肝臟缺損和股動脈穿刺模型示意圖。 (b) 未處理組、標準紗布、戰斗紗布和DC-UDCS-2.0的肝臟出血（初始）和治療后創面（止血后）的代表性照片。 (c、d) 肝臟模型中總失血量（c）和止血時間（d）的量化（n ≥ 5）。 (e) 股動脈損傷的代表性圖像，顯示暴露的血管（左）和指定治療后止血后的手術區域（右）。 (f、g) 股動脈模型中失血量（f）和止血時間（g）的量化（n ≥ 5）。數據以均值±標準差表示。統計學顯著性標記為：ns，不顯著；p < 0.05；p < 0.01；p < 0.001。比例尺：1厘米。

尤為重要的是，在模擬臨床抗凝狀態（肝素化）的兔子出血模型中，DC-UDCS-2.0展現了其凝血非依賴的獨特優勢。圖6的結果顯示，在肝素化兔肝臟缺損模型（圖6b）中，DC-UDCS-2.0的失血量（圖6c）和止血時間（圖6d）均顯著優于普通紗布和高嶺土浸漬軍用紗布。在更為兇險的腋動脈-靜脈聯合離斷模型中（圖6e），該材料的優勢更加突出：其止血時間（圖6g）和失血量（圖6f）均顯著少于對照組，并且60分鐘生存率（圖6h）達到了100%，而普通紗布組的生存率僅為50%。這些結果強有力地證明了，即使在凝血通路被藥物（肝素）完全抑制的條件下，DC-UDCS-2.0依然能通過其物理填塞和細胞富集機制，實現快速、有效的止血，并挽救生命。

圖6 DC-UDCS-2.0在肝素化兔肝臟和腋窩血管離斷模型中的止血效果。 (a) 肝臟缺損和動靜脈離斷手術程序及止血材料局部應用的示意圖。 (b) 抗凝兔肝臟出血控制（0秒、30秒和止血后）的代表性延時圖像，處理組分別為無敷料（對照組）、標準紗布、戰斗紗布或DC-UDCS-2.0。 (c、d) 肝臟缺損模型中失血量（c）和止血時間（d）的量化（n ≥ 5）。 (e) 腋窩血管離斷模型的代表性照片，顯示了標準紗布、戰斗紗布和DC-UDCS-2.0的手術暴露、材料應用、血液吸附和止血后處理區域。 (f、g) 腋窩血管離斷模型中的失血量（f）和止血時間（g）（n ≥ 5）。 (h) 抗凝狀態下災難性出血后的生存率。數據以均值±標準差表示。統計學顯著性標記為：ns，不顯著；p < 0.05；p < 0.01；p < 0.001。抗凝通過靜脈注射肝素鈉200 IU/公斤誘導。比例尺：1厘米。

本研究成功建立了一種結構-化學一體化的止血策略，通過工程化構建具有分級多孔結構的雙交聯超高度脫乙酰化殼聚糖氣凝膠，實現了不依賴凝血級聯反應的出血控制。其核心突破在于闡明并驗證了雙交聯分層毛細管-彈性記憶機制：定向冰模板構建的毛細管通道加速血液浸潤，觸發可逆氫鍵的快速釋放，而共價交聯網絡則儲存并傳遞彈性恢復能量，驅動超快自膨脹和持續的機械填塞。這一程序化轉變實現了不依賴纖維蛋白形成的物理性創口封堵，并得到陽離子殼聚糖網絡介導的靜電細胞聚集/粘附作用的協同增強。DC-UDCS-2.0氣凝膠在臨床相關時間尺度上產生高膨脹壓力，在正常和抗凝出血模型中均能實現有效止血，同時兼具內在抗菌活性和良好的生物相容性。這些研究結果為處理不可壓迫性出血和凝血功能障礙相關出血提供了一種可轉化的材料學新范式，并為未來開發面向特定應用場景的劑型、可規模化制造以及多功能集成（如治療藥物遞送）奠定了堅實基礎，有望推動精準止血管理的進一步發展。