BioactMater生物活性材料 - 四川大學華西醫院解慧琪團隊：用於急救止血和感染創面癒合的具有強效組織粘附性和促凝血活性的多交聯水凝膠|BAM－鑽石舞台

近期，四川大學華西醫院解慧琪團隊在科愛出版創辦的期刊Bioactive Materials上發表文章：基於多重交聯策略，該團隊開發了一種組織粘附性優異的多功能天然多糖基水凝膠。該凝膠具有促進血細胞粘附與聚集的生物活性，能實現兔肝臟損傷的快速止血。此外，水凝膠可以通過多途徑加速感染創面的癒合，具有廣闊的臨床應用前景與轉化價值。

研究內容簡介

在戰爭、事故和自然災害中，無法控制的出血是死亡的主要原因。及時的創面處理是緊急止血的必要手段，可有效減少出血量，增加生存機會。臨床上，縫合術和吻合術已成為創面處理的金標準。然而，這些方法不適用於急性、嚴重的創面。組織粘合劑的出現為複雜創面的處理提供了新策略。其具有無需麻醉、無二次損傷、防止感染、操作簡便等優點。基於天然多糖的組織粘合劑具有優異的生物相容性、抗菌性和促進癒合的生物活性在急救止血和創面癒合中引起了廣泛關注。然而，不足的力學性能和生物粘附性限制了它們的應用。

為此，該團隊利用動態共價鍵、光觸發共價鍵和氫鍵的多重交聯策略，開發了一種包含改性羧甲基殼聚糖、改性海藻酸鈉和單寧酸的多功能組織粘附性水凝膠。該水凝膠包含兩類共價鍵網絡，賦予了水凝膠優異的力學性能：其一為光固化形成的共價鍵網絡，在紫外光的激發下，甲基丙烯酸基團中的C=C可以發生自由基聚合形成三維網絡，貢獻了水凝膠的強度與硬度，維持了水凝膠的穩定性；其二是動態化學共價鍵。在中性條件下（pH=7-8）鄰苯二酚基團和二羥基硼基、醛基與氨基分別形成硼酸酯鍵和席夫鹼鍵，共同賦予水凝膠韌性和自修復能力。此外，單寧酸的加入進一步通過氫鍵等作用加強了凝膠網絡（示意圖1）。

示意圖1：用於急救止血和感染傷口癒合的多功能水凝膠示意圖。H (Non-P)通過動態共價鍵（硼酸酯鍵和席夫鹼鍵）形成；H (P) 是通過動態共價鍵和光觸發共價鍵形成的；H (P+T)是通過動態共價鍵、光觸發共價鍵和 TA 引入的氫鍵形成的。

通過對水凝膠內部形貌、溶脹行為、降解行為和力學性能的表徵與檢測，作者證明了多重交聯機理有效地提高水凝膠的穩定性和力學性能（圖1）。

圖1：H (Non-P)、H (P) 和 H (P+T) 的a) SEM 圖像，b) 元素 (C, N, O, B) 分布和 c) 孔徑，比例尺=200μm；水凝膠的d) 溶脹曲線和 e) 降解曲線；水凝膠的f) 應力-應變曲線，g) 壓縮模量和 h) 壓縮強度。

協同貽貝仿生、內聚力增強和自修復特性，水凝膠展現出優異的組織粘附性能，最大粘附強度為162.6kPa，是商業纖維蛋白膠的12.3倍。並且組織粘附性表現出對潮濕環境的穩定性，利於體內環境的應用。由於凝膠網絡中包含席夫鹼和硼酸酯等動態共價鍵，水凝膠表現出優異的自癒合能力（圖2）。

圖2：H (Non-P)、H (P)和H (P+T)的a) 搭接剪切強度和b) 界面韌性；c) 水凝膠浸泡48 h後的豬皮粘附測試和粘附表現；d) H (P+T)與豬皮之間的粘合界面的SEM圖像，比例尺=200μm；e) 水凝膠與組織粘附機理示意圖；f) 交替步應變掃描模式下水凝膠的流變曲線；H(P+T) 的g) 自愈性和h) 在不同時間點的自癒合效率。

作者對水凝膠的抗菌與抗氧化性能進行了評價。由於羧甲基殼聚糖固有的抗菌性能和單寧酸對於細菌的捕獲作用，水凝膠對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都展現出優異的抗菌性。此外，由於水凝膠中包含單寧酸等抗氧化的物質與基團，水凝膠能有效降低細胞內的活性氧水平（圖3）。

圖3：大腸桿菌和金黃色葡萄球菌在 PBS、H (P)、H (P+T) 和氨苄青黴素處理後的a) 存活情況和b) 存活率；各組對c) DPPH•和 d) PTIO•的清除效率；e) 流式細胞儀分析各組DCFH-DA染色的陽性率；各種處理後DCFH-DA染色的f) 熒光圖像和g) 熒光強度，比例尺=200μm。

作者評價了水凝膠的細胞相容性和血液相容性，證明了水凝膠無明顯的細胞毒性，不會引起溶血。通過大鼠皮下埋植實驗證明了水凝膠組織相容性良好，在體內可降解，不會引起嚴重的炎症反應，組織壞死等問題（圖4和5）。

圖4：a) H (Non-P)、H (P)和H (P+T)對NIH-3T3細胞增殖的影響；b) 水凝膠處理3天後各組活/死染色熒光圖像，比例尺=200μm；c) 水凝膠的溶血率（PC：0.1% Triton X-100，NC：PBS）；用水凝膠處理後HSF細胞劃痕實驗的d) 圖像和 e) 遷移率，比例尺=200μm。

圖5：a) H (Non-P)、H (P) 和 H (P+T) 組在皮下植入 7、14 和 21 天后的大體觀；b) 埋植7、14和21天後 H (P+T) 的大體觀；c) 皮下植入過程中剩餘水凝膠質量的曲線；d) 水凝膠植入21天後的HE染色和CD86免疫熒光染色，比例尺=200μm（T：組織，M：材料，CD86 標記 M1 型巨噬細胞，DAPI 標記細胞核）。

作者驗證了水凝膠可以促進紅細胞和血小板的粘附聚集，展現出體外促凝能力。基於組織粘附和促凝血活性的雙重止血機理，該水凝膠在兔肝損傷模型中顯示出優異的止血性能，出血量為0.32g，僅為纖維蛋白膠的54.2%（圖6）。

圖6：纖維蛋白膠、H (Non-P)、H (P)和H (P+T) 的 a) 全血凝固時間和b) BCI；c) 不同時間點（5、30、60min）各組表面粘附的血小板數；d) 兔肝出血模型及水凝膠止血過程示意圖；各組e) 止血過程圖片 (比例尺=2cm)，f) 出血時間和g) 失血量。

作者通過大鼠感染的皮膚全層缺損模型證明了水凝膠具有促修復能力。由於出色的抗菌和抗氧化特性，水凝膠對感染傷口的癒合效率明顯優於商業EGF凝膠和Ag+凝膠。通過組織學評價作者證明了水凝膠促進胞外基質再生和肉芽形成。此外，還說明了水凝膠能抑制過度的炎症反應和促進血管新生，進一步促進大鼠感染全層缺損皮膚的修復（圖7和8）。

圖7：PBS、EGF Gel、Ag+ Gel、H (P) 和 H (P+T) 組的a) 傷口照片，b) 傷口區域示意圖和c) 創面癒合率；各組d) HE染色（紅色箭頭：血管，比例尺=200μm）、Masson染色（比例尺=400μm）和天狼星紅染色（比例尺=100μm）；各組e) 第14天的上皮厚度和f) 第21天肉芽組織厚度。

圖8：PBS、EGF Gel、Ag+Gel、H (P)和H (P+T)組創面第7天的a) CD86免疫熒光染色和c) CD86+相對面積統計，比例尺=200μm；各組創面第21天的b) CD31免疫熒光染色和d)各組CD31+相對面積統計，比例尺=200μm；ELISA檢測各組創面處e) 第7天的TNF-α和f) 第21天的VEGF含量。

綜上，解慧琪團隊研發的多功能水凝膠具有增強的力學性能、優異的生物粘附性、促凝血活性、止血性能和促感染創面癒合等多重功能，在急救止血和感染傷口癒合方面具有極大的應用價值。此外，多交聯策略為新型組織粘合劑的設計提供了靈感。

論文第一/通訊作者簡介

第一作者：鄒晨宇

四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室碩士研究生。從事水凝膠材料、止血材料和軟組織修復材料的研究工作。

第一作者：雷雄心

四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室博士，現就職於中國人民解放軍陸軍軍醫大學。從事水凝膠材料在消化道疾病治療、急救止血和軟組織修復的研究工作。

通訊作者：解慧琪

醫學博士，研究員，博士生導師，四川大學華西醫院生物治療國家重點實驗室幹細胞與組織工程研究室主任，骨科研究所副所長。主要從事細胞外基質材料與組織再生修復研究及產品轉化、成體幹細胞與組織工程學研究，作為項目負責人主持完成30餘項國家及省部級科研項目，以第一/通訊作者發表論文80餘篇。密切聯繫臨床實際，專注研發具有自主知識產權的組織再生修復產品，以第一發明人申請國家發明專利30餘項，授權20餘項，PCT專利2項。研究團隊將研究成果成功進行產業轉化，已有5項生物材料與組織工程產品獲得國家Ⅲ類醫療器械產品註冊證，已上市用於臨床惠及數百萬患者。目前尚有5個產品正在進行臨床試驗。

資助信息

該研究獲國家自然科學基金（32171351）、四川大學華西醫院「1.3.5」項目（ZYJC18002）和四川大學「醫學+材料」中心Med-X創新項目（MCM202104）等支持。

原文信息

Chen-Yu Zou#, Xiong-Xin Lei#, Juan-Juan Hu, Yan-Lin Jiang, Qian-Jin Li, Yu-Ting Song, Qing-Yi Zhang, Jesse Li-Ling, Hui-Qi Xie*.

Multi-crosslinking hydrogels with robust bio-adhesion and pro-coagulant activity for first-aid hemostasis and infected wound healing.

Bioactive Materials,16,(2022) 388-402.

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