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花粉冷凍凝膠，AdvancedMaterials！
  • 2024-07-24

　　研究背景

　　在事故和戰(zhàn)場(chǎng)中，及時(shí)控制出血是防止過度失血和降低高死亡率的關(guān)鍵。盡管傳統(tǒng)的止血材料如棉紗布、膠原海綿和明膠繃帶在控制外部出血方面已被證實(shí)有效，但面對(duì)不規(guī)則形狀、深度和不可壓縮的傷口，迫切需要更堅(jiān)固的止血?jiǎng)﹣韺?shí)現(xiàn)快速止血。形狀記憶泡沫和海綿因易于壓縮和耐用性，展現(xiàn)出作為止血?jiǎng)┑木薮鬂摿Γ軌蜻m應(yīng)填充深層不可壓縮的傷口。此外，市售的微型纖維素海綿可以直接應(yīng)用于傷口空腔，加速止血作用。然而，這些材料也存在一些局限性。例如，由聚氨酯和巰基環(huán)氧樹脂等物質(zhì)衍生的聚合物泡沫的吸收能力有限，膨脹相對(duì)較慢，使得它們不太適合快速止血。另一方面，盡管商業(yè)微型纖維素海綿在用戶操作上更為友好，但由于缺乏廣泛的互連多孔網(wǎng)絡(luò)，限制了其血液吸收能力。此外，使用這些海綿通常需要進(jìn)行侵入性手術(shù)，以便在止血后取出每個(gè)迷你海綿，這增加了治療的復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)。因此，開發(fā)新型止血材料，既能快速吸收血液，又能適應(yīng)不規(guī)則傷口形狀，同時(shí)易于移除，是當(dāng)前止血材料研究的重要方向。

　　研究成果

　　近日，新加坡南洋理工大學(xué)N.-J. Cho、美國(guó)麻省理工學(xué)院S. Suresh、韓國(guó)CHA大學(xué)S. Jung聯(lián)合報(bào)道了一種生物安全的花粉冷凍凝膠用作高效的止血?jiǎng)恍枰魏斡泻Φ慕宦?lián)劑，用于治療深層且不可壓縮的傷口。通過一種簡(jiǎn)單且能耗低的方法，成功制備了具有穩(wěn)定大孔結(jié)構(gòu)的花粉冷凍凝膠，這得益于非致敏植物花粉的獨(dú)特微觀層次結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。研究表明，花粉冷凍凝膠在2s內(nèi)表現(xiàn)出快速的水/血液觸發(fā)的形狀記憶特性。由于其固有的納米/微米層次結(jié)構(gòu)和花粉表面豐富的化學(xué)官能團(tuán)，花粉冷凍膠在小鼠肝臟穿透模型中顯示出有效的止血性能。更重要的是，使用后易于去除。總的來說，這項(xiàng)工作中的自交聯(lián)花粉凍凝膠為深層不可壓縮傷口的初步治療開辟了潛在的臨床應(yīng)用框架。相關(guān)研究工作以“Plant-Based Shape Memory Cryogel for Hemorrhage Control”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》上。

　　

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　　研究?jī)?nèi)容

　　

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　　圖1. 花粉冷凍凝膠的示意圖。該圖說明了如何通過壓縮驅(qū)動(dòng)的自交聯(lián)制備花粉凍凝膠，并展示了它們作為止血?jiǎng)┲委煵豢蓧嚎s的深部傷口的應(yīng)用。

　　

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　　圖2. 水合狀態(tài)下花粉冷凝膠的力學(xué)性能。(a)不同含水量的花粉微凝膠制備的水合花粉冷凝膠的楊氏模量比較;(b)不同培養(yǎng)時(shí)間的水合花粉凍凝膠的楊氏模量;(c-e)在20%、40%、60%和80%的單軸壓縮應(yīng)變下，經(jīng)過第一次、第十次和第五十次循環(huán)壓縮的浦冷凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線;(f)最大壓縮應(yīng)力隨壓縮循環(huán)次數(shù)的變化。

　　

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　　圖3. 花粉冷凍凝膠的制備方法和表征。(a)花粉冷凍凝膠形成過程中樣品的制備過程和四種狀態(tài)，包括顆粒狀花粉微凝膠、冷凍花粉微凝膠，乙醇交換花粉微凝膠和大孔花粉冷凍凝膠;(b)不同放大倍數(shù)下四種不同狀態(tài)樣品的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像;(c) 四種不同狀態(tài)的樣品的傅里葉變換紅外光譜(KBr FTIR)分析;(d)壓縮驅(qū)動(dòng)自交聯(lián)法從顆粒狀花粉微凝膠制備花粉冷凝膠的原理圖。

　　

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　　圖4. 自交聯(lián)法制備的花粉凍凝膠的體外吸水和血液(抗凝劑小鼠血液)吸收性能。(a)吸水能力-時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線;(b)花粉冷凍凝膠的吸水率與不同培養(yǎng)時(shí)間的關(guān)系;(c)血液吸收能力-時(shí)間動(dòng)態(tài)曲線;(d)花粉冷凍凝膠的血液吸收率與不同孵育時(shí)間的關(guān)系;(e)花粉冷凍凝膠和其他市售產(chǎn)品(即棉紗布、CELOX紗布和膠原蛋白)之間血液吸收能力比較;(f)花粉冷凍凝膠和其他市售產(chǎn)品之間血液吸收時(shí)間的比較;(g)FESEM圖像顯示了所制備的花粉冷凍凝膠的微/納米層次結(jié)構(gòu)，以及吸收水和血液前后的冷凍凝膠。

　　

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　　圖5. 自交聯(lián)法制備的花粉凍凝膠的形狀記憶性能。在KOH中不同孵育時(shí)間后制備的單軸壓縮水合凍凝膠在重新吸水后的(a)高度形狀恢復(fù)率和(b)形狀恢復(fù)時(shí)間;在KOH中不同孵育時(shí)間后制備的單軸壓縮水合冷凍凝膠在吸收血液(抗凝小鼠血液)后的(c)高度形狀恢復(fù)率和(d)形狀恢復(fù)時(shí)間。

　　

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　　圖6. 花粉凍凝膠的生物學(xué)特性。(a)花粉凍凝膠和其他商業(yè)產(chǎn)品(即棉紗布、CELOX紗布和膠原海綿)凝血指數(shù)值的比較;(b)FESEM圖像顯示了紅細(xì)胞(RBC)和血小板在花粉冷凍凝膠和其他商業(yè)產(chǎn)品的不同放大倍數(shù);(c)不同濃度的花粉冷凍凝膠分散液在PBS溶液中的溶血率;(d)花粉冷凍凝膠與L929細(xì)胞在不同細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)間(包括1天、3天和5天)的細(xì)胞相容性評(píng)估;(e)在花粉冷凍凝膠上培養(yǎng)1、3、7和14天的L929細(xì)胞的熒光顯微鏡圖像。

　　

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　　圖7.花粉凍凝膠在正常小鼠肝損傷傷口模型中的體內(nèi)止血能力評(píng)估。(a)小鼠肝穿孔傷口模型止血實(shí)驗(yàn)過程的示意圖;(b)空白(不含止血?jiǎng)?、CELOX顆粒、CELOX紗布、棉紗布、膠原海綿和花粉凍凝膠的止血效果照片;(c)總失血量和d)花粉冷凍凝膠與空白和其他商業(yè)產(chǎn)品的止血時(shí)間的比較;(e)花粉冷凍凝膠的止血機(jī)制描述：物理策略(分級(jí)高表面粗糙度)和化學(xué)策略(表面羧基和羥基)。

　　結(jié)論與展望

　　這項(xiàng)研究開發(fā)了一種基于花粉的冷凍凝膠作為止血?jiǎng)?，通過壓縮驅(qū)動(dòng)花粉微凝膠顆粒的自交聯(lián)來治療不可壓縮的出血。該過程得益于顆粒結(jié)構(gòu)的緊密堆積和花粉微凝膠顆粒在微觀和納米尺度上的分級(jí)形態(tài)，并消除了對(duì)可能對(duì)人體健康有害的額外交聯(lián)劑的需求，確保了凝膠的生物安全性?；ǚ蹆瞿z在水合狀態(tài)下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和循環(huán)機(jī)械穩(wěn)定性，以及良好的吸水性和血液吸收能力，具有快速的水和血液觸發(fā)形狀恢復(fù)能力。由于固有的高表面粗糙度，以及孔壁表面豐富的羧基和羥基，在促進(jìn)紅細(xì)胞和血小板聚集和粘附方面的表現(xiàn)優(yōu)于其他商業(yè)止血產(chǎn)品(包括棉紗布、膠原海綿、CELOX紗布和CELOX顆粒)。通過小鼠肝穿孔傷口模型實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了花粉凍凝膠的止血性能。盡管需要進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)，來確定止血過程中人類對(duì)花粉冷凝膠的免疫反應(yīng)。此外，花粉冷凍凝膠如何促進(jìn)傷口愈合的機(jī)制，也是一個(gè)值得進(jìn)一步研究的重要課題?？偟膩碚f，這項(xiàng)研究為生物安全和非過敏性花粉冷凍凝膠的制造提供了一種可持續(xù)的設(shè)計(jì)策略，并指出了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)應(yīng)用中的潛在用途。

　　論文鏈接：

　　https://doi.org/10.1002/adma.202311684