【文献解读】Adv. Healthcare Mater：壳聚糖气凝胶在生物医用材料中的新应用

止血材料在军事和日常医疗中均有广泛需求，目前铝硅酸盐基等无机材料和壳聚糖基有机材料均有广泛应用。但在急救时如何提高止血剂的止血效率并减少其副作用仍是医疗领域面临的重大难题。因此，开发一种能快速止血且生物相容性较好的止血材料是非常有必要的。

天然的硅藻壳（硅藻生物矿化硅，DB）内部为从纳米到微米尺度的分级多孔结构，能快速吸收血浆并浓缩血液中的有形成分实现快速止血，但为了避免DB进入毛细血管中形成微栓塞，同时减少壳聚糖对DB孔结构的破坏，中国海洋大学的陈西广教授课题组以壳聚糖做基体，通过碱沉淀法与DB和多巴胺（DA）形成微球，再利用TBA溶剂置换、冷冻干燥制备了一系列孔径可调的壳聚糖-硅藻生物矿化硅气凝胶用于快速止血（图1）。

图1. 壳聚糖-硅藻生物矿化硅气凝胶的制备过程。

研究表明，止血剂的吸水性决定了富集血液中有形成分如红细胞、血小板、絮凝因子的能力，而止血剂的吸附能力与止血材料内部结构和形态有关，即气凝胶的比表面积和孔体积，所以作者首先对气凝胶的形态和理化性质进行了探究，其结果如图2所示，通过对不同浓度TBA置换后得到的气凝胶进行SEM和BET分析发现，当TBA浓度低于30%时，气凝胶表面和内部都为无孔结构，当TBA浓度高于30%时，DB的孔结构得以保持，且此时冻干前后气凝胶体积收缩率较低。

图2. 气凝胶的形貌表征。

类似的结论在图3中的BET和吸水性测试中也有所呈现，当TBA浓度较高时，气凝胶内部的孔隙具有良好的通道连通性和均匀的孔径分布。当TBA浓度为30%时，气凝胶有最大的比表面积和孔体积、最高的吸水量和最小的体积收缩率。同时气凝胶的高吸水性一方面来自内部的孔结构和比表面积，一方面来自于壳聚糖和PDA中氨基与水分子通过氢键形成的结合水，这也为血浆的快速吸收提供了有利依据。

图3. 气凝胶的物理性质。

在体外止血性能测试中，作者发现这种气凝胶有优异的凝血（图4A）和促进血小板黏附和活化的功能。与对照组相比，带正电的氨基能与带负电的红细胞细胞膜相互作用引发红细胞聚集和黏附，而由于DB中硅烷基团界面的引发作用能通过启动和触发凝血因子活化内絮凝通道（图4B），使血液凝固在极性界面上更快，DB的加入后会有更多伪足状血小板形成和纤维网络聚集结构，且用TBA置换后，气凝胶的分级多孔结构会暴露更多硅醇基团，使整个交联网络更致密，进而提升伤口处血块的强度，这种相互作用的增强有利于延迟纤维蛋白溶解过程，这表明本文中的气凝胶能用于长期止血并能有效防止二次出血。

当对气凝胶的进行生物相容性试验时，作者发现壳聚糖和DA能包封部分活性硅醇基团，削弱DB极性基团的影响，进而降低DB的毒性，提高气凝胶的生物相容性。在小鼠活体实验中，与对照组相比，用气凝胶止血的小鼠其血液凝固时间和失血量均有显著降低，这种现象可以归于三个方面（图4C、4D）：

1. 多孔结构和较大的比表面积赋予了气凝胶优异的吸附性能，有利于聚集血液中的絮凝成分，并使血小板和红细胞沉积于其表面；

   
   

2. 多孔结构使更多带负电的的硅醇基露于气凝胶中DB的表面，能活化内絮凝通道；

   
   

3. 壳聚糖和PDA中带正电的氨基能和带负电的红细胞通过静电作用结合，有利于红细胞聚集。

   
   

图4. 气凝胶的凝血机理。

本文中作者利用DB的多孔结构，以壳聚糖为基体，结合DA制备了一种能高效止血且生物相容性好的气凝胶，其性能与现有的止血材料相比都更为优异，这也为止血材料的研发、有机无机材料的结合应用拓宽了思路。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.202000951

Jing Li, Xiaojie Sun, Kaichao Zhang, Guoning Yang, Yuzhi Mu, Chang Su, Jianhui Pang, Tongtong Chen, Xiguang Chen, and Chao Feng*，Adv. Healthcare Mater. 2020, 9, 2000951