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科技新讯:仿植物根毛纤维气凝胶研发成功,助力伤口快速止血与极少失血

作者: 中国纺织科技

2025-04-17

东华大学纺织学院王富军教授、曾泳春教授团队联合开发出一种仿生植物根毛运输系统的止血材料,面向复杂伤口急救出血和凝血障碍患者治疗应用,相关成果以《用于快速止血的失血量极少的仿生离心纺纤维气凝胶》(Centrifugal Spinning-Derived Biomimetic Aerogel for Rapid Hemostasis with Minimal Blood Loss)为题,发表于《Nano Letters》,该论文第一作者是东华大学纺织学院博士生符芬,本科生王钰涵、左小毓参与了部分实验工作,通讯作者为东华大学纺织学院王富军教授、曾泳春教授和赵帆特聘研究员。

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研究背景

大出血引起的低血压和多器官衰竭往往导致高死亡率,而尽可能短的院前治疗响应时间对血流动力学不稳定的穿透伤患者特别有益。身体的自然凝血机制因出血而被激活,但是,若不采用外部止血方法,则无法应对深部伤口的严重出血和凝血障碍。因此,旨在缩短出血时间和减少失血量的高效止血材料已成为迫切需求。然而,传统的止血产品往往无法满足复杂伤口和广泛创伤的治疗需求。为了增强血液的快速吸收并促进血凝块的形成,多孔止血材料得到广泛关注,却因吸液能力有限,容量扩张不可控且耗时,导致失血量增加。此外,多孔结构的连通性不足可能会削弱液体的吸收和渗透,从而降低止血效率,并且在外力作用下容易发生结构破坏。这就激发了先进止血产品和技术的发展,以提高存活率并降低医疗成本。

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工作简介

研究团队提出了一种双组分离心纺丝方法,利用双组分离心纺射流的相分离调控得到具有优异的血细胞粘附能力的沟槽状醋酸纤维素(CA)纤维和褶皱状热塑性聚氨酯(TPU)纤维。通过冷冻干燥技术制备了由封闭型水性异氰酸酯(BIC)双网络交联的高通孔(99.99%)止血气凝胶CTBs。

这种快速止血且低失血量的稳态气凝胶的设计灵感来自根毛的共质体运输和质外体运输:(i) 高度互连的孔和微通道,具有低流体动力学阻力,充当细胞质和胞间连丝,以确保水的快速吸收和运输;(ii)具有多级结构的纤维网络起质外体运输作用,促进血细胞聚集和粘附,实现快速凝血和减少失血。此外,为了增强分离效应,仿生树木年轮设计了不同方向的疏水梯度差,气凝胶核心比其表面更疏水,从而使得液体的垂直渗透慢于横向扩散。

材料表征测试结果表明:CTBs具有高孔隙率 (91%)、优异的吸水性能(4147% ± 99%) 和所需的低吸血率(1210% ± 17%),且血液相容性(溶血率:0.01% ± 0.033%)极佳、无细胞毒性。由于纤维拓扑结构对血细胞的吸引和聚集、高孔隙率和高通孔率赋予的强吸水性能以及较小孔径(7~15 μm)和方向性液体运输加强的血细胞的铺展和血液浓缩效应,使得止血气凝胶CTBs表现出卓越的促凝血特性(体外凝血时间为15 s),此外,CTBs的形状回复特性使其在伤口部位产生适当的压力,形成凝血屏障以阻止血液流动,加之,材料上丰富的羧基与红细胞之间的相互作用可以激活内在凝血途径,进一步促进血液凝固。动物实验结果显示,同等条件下,相比其他商用止血材料,其止血时间缩短了近78%,失血量降低了近94%。可见,CTBs为创伤急救止血和凝血障碍治疗提供了有效解决思路。

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图文导读

图1  离心纺CA/TPU纤维结构的调控及其气凝胶结构、物理性能表征

图2  止血气凝胶CTBs的仿生设计及其方向性传液性能

图3  止血气凝胶CTBs的体外凝血性能和生物相容性

图4  止血气凝胶CTBs的形状回复性能和可注射性

图5  止血气凝胶CTBs的体内止血性能

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结  论

本研究基于离心纺丝和冷冻干燥技术,制备了一种由BIC双网络交联沟槽状CA纤维和褶皱状TPU纤维构成的气凝胶,用于快速止血。体外和体内评估均表明,与商用止血材料(如棉球、吸收性明胶海绵和纱布)相比,该止血气凝胶在快速止血和显著减少失血总量方面表现出色,这对于紧急情况下的生命挽救至关重要。其止血效果的提升归因于水和血细胞的独立传输路径以及方向性液体传输特性,这使得气凝胶能够快速吸收水分而吸收血液较少,同时,由于其材料成分具有多个止血功能位点,有助于凝血因子的自发聚集,从而展现出卓越的凝血能力,因而失血极少,适合用于治疗凝血功能障碍患者。此外,该气凝胶具有良好的形状可塑性以及优异的生物相容性,适用于多种类型的伤口,包括锐器伤和非压迫性出血伤口。其易于使用、无外部刺激以及在止血领域的巨大潜力,使其有望成为一种多功能的止血材料。

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