用于超快止血和血液超级吸收的高级聚电解质复合物

《Acta Oecologica》：Advanced polyelectrolyte complexes for ultrafast hemostasis and blood superabsorption

多聚磷酸盐改性壳聚糖海绵通过调控静电相互作用实现促凝血剂可控释放，体外实验显示凝血时间缩短75%，吸液能力达干质量的25倍，体内 rat 肝出血模型验证其止血效果优于商用壳聚糖海绵。

　　血液凝固是人体在出血时的自然反应，是全球范围内死亡的主要原因之一。止血海绵被用于物理阻断出血部位、减少血液凝固时间，并提高受伤后生存的机会。本研究通过调节聚电解质复合物中的静电相互作用，开发出一种能够实现时间控制释放促凝剂多聚磷酸盐（PP）的超级吸水止血装置。这些海绵支架由经过修饰的壳聚糖制成，通过竞争性静电相互作用实现了对PP的可控释放。在分子层面，研究了PP与修饰壳聚糖的结合及其释放机制；在静态和动态条件下，使用体外实验评估了海绵的血液凝固能力，并通过大鼠肝脏出血模型进行了体内实验。体外和体内实验结果的一致性表明，止血海绵能够将血液凝固时间减少多达75%，并且在暴露于血液8小时内吸收的液体量可达其干燥质量的25倍，使其适用于多种出血情况。

本研究的重要性在于，提高创伤出血后的生存机会依赖于快速且有效的止血。尽管多聚磷酸盐（PP）在加速自然血液凝固方面的有效性已有近二十年的研究支持，但由于其有效浓度范围狭窄，PP在加速外部出血凝固方面一直未能广泛应用。本文展示了一种通过控制聚电解质复合物中PP的静电相互作用，以维持PP在外部出血部位的有效浓度，从而最大化其促凝效果的策略。通过全面的体外、微流控和体内分析，证明了该聚电解质复合物在控制血液凝固速率和吸收大量血液方面的有效性。此外，PP的促凝作用还体现在对某些抗凝药物效果的逆转，如Xa因子抑制剂瑞伐他汀，甚至可以将血友病患者的血液凝固时间缩短高达80%。

然而，在实际应用中，PP的促凝能力尚未得到充分重视，主要是由于其正确应用面临诸多挑战。例如，PP以玻璃状固体粉末或溶解在水溶液中的形式存在时，缺乏物理阻断出血所需的机械性能。此外，PP的释放需要在出血部位进行精确控制。否则，过量的PP可能会吸收血液凝固所需的多价阳离子，导致延迟凝固或完全阻止凝固。因此，控制PP在出血部位的释放对于有效的止血至关重要。文献中报道的材料，由阳离子电解质/聚电解质与PP相互作用制成，未能实现PP的可控释放，且缺乏用于止血部位所需的机械性能和足够的血液吸收能力。此外，关于不同浓度PP对血液凝固机械性能影响的证据也较为有限。

为了解决这些问题，本研究利用化学修饰壳聚糖聚合物与PP之间的竞争性静电相互作用，开发了一种具有超级吸水性和柔韧性的聚电解质止血海绵。这种海绵的高吸水性来源于修饰壳聚糖聚合物上的大量带电基团，使其在严重出血情况下能够提供初始的物理屏障。同时，PP的可控释放确保了其在血液中的浓度处于最佳范围，以促进快速凝固。PP的释放是通过精确控制其表面带负电的磷酸基团与修饰壳聚糖上的预定数量的带负电的羧酸基团和带正电的氨基基团之间的竞争性静电相互作用实现的。PP与修饰壳聚糖之间的功能基团的相互排斥和吸引作用被详细研究，并对其释放特性进行了评估。此外，还通过定量流变分析进一步评估了海绵在血液凝固速率和凝块机械性能方面的表现。为了在模拟出血条件下测试设备的性能，还使用了微流控系统，这为动物出血模型提供了一种替代方案。选择的配方随后在大鼠肝脏出血模型中进行了体内测试，以研究海绵在实际出血情况下的性能。

在材料和方法部分，研究首先合成了具有特定度数聚合（Dp）的钠多聚磷酸盐（PP），并通过使用琥珀酸酐（SA）对壳聚糖进行改性，制备了具有不同羧酸化程度（DC）的样品。高分子量壳聚糖（1800 kDa）的度数脱乙酰化（DD）为0.87，用于本研究。通过在酸性条件下对壳聚糖进行质子化，使其溶解于水中，并通过添加碳酸氢钠溶液来调整pH值至6.4，以确保部分氨基基团保持未质子化状态，以便与SA反应。在添加SA后，通过进一步调整pH值来维持反应的进行，最终通过沉淀和纯化步骤获得粉末形式的改性壳聚糖。研究还制备了不同浓度PP的止血海绵，并通过浸泡在缓冲液中，研究了其膨胀率和PP释放行为。PP的释放是通过测量与海绵接触的缓冲液中的磷含量来定量分析的。

为了研究PP与改性壳聚糖之间的相互作用，采用了等温滴定量热法（ITC）。通过将PP溶液逐渐注入改性壳聚糖分散液中，测量了反应过程中产生的热量变化，以确定PP与壳聚糖之间的结合热。此外，研究还通过电泳动力学光散射（DLS）测量了改性壳聚糖的表观ζ电位，以评估其电荷特性。通过这些方法，研究者能够深入了解PP与壳聚糖之间的相互作用机制，并优化其释放行为。

在结果和讨论部分，研究展示了PP的合成及其特性分析。合成的PP具有Dp值为83，这与血小板释放的PP相似，并且具有促凝特性。PP的低多分散性（Mw/Mn=1.05）表明其分子量分布较为均匀。此外，PP的玻璃化转变温度（Tg）约为300°C，表明其在止血应用中缺乏适当的物理性能。通过将PP与改性壳聚糖结合，研究者成功制备了具有超级吸水性和可变形特性的海绵。

研究还详细分析了改性壳聚糖的特性。不同DC的样品在与PP混合后表现出不同的膨胀行为和PP释放速率。HCS、MCS和LCS样品的DC分别为0.45、0.32和0.18，这些样品在血液接触后表现出不同的膨胀行为。其中，HCS样品在8小时内达到最大膨胀率（17.5倍于干燥质量），而MCS样品在24小时内达到最大膨胀率（24倍于干燥质量）。相比之下，LCS样品的膨胀速率较慢，且在8小时后达到最大膨胀率（7.5倍于干燥质量）。这些差异可能与不同DC样品的电荷密度有关，进而影响PP的释放行为。

通过ITC分析，研究者进一步探讨了PP与改性壳聚糖之间的分子相互作用。PP的磷酸基团与壳聚糖的氨基和羧酸基团之间的静电相互作用被详细研究，结果表明，不同DC的样品对PP的结合和释放行为具有显著影响。HCS样品由于较高的羧酸化程度，其PP结合能力较弱，从而加速了PP的释放。而LCS样品由于较低的羧酸化程度，其PP结合能力较强，导致PP释放较慢。这些发现为PP在止血海绵中的可控释放提供了理论依据。

此外，研究还评估了PP-CC海绵对血液凝固的影响。通过流变分析，研究者发现不同DC的样品在不同PP浓度下表现出不同的血液凝固速率和机械性能。例如，HCS样品在没有PP的情况下，其血液凝固时间约为206分钟，而在添加0.5 w% PP后，凝固时间减少了70%。同样，MCS样品在添加PP后，凝固时间减少了60%，而LCS样品则减少了45%。这些结果表明，PP的释放对于加速血液凝固至关重要。

在动态条件下，研究还使用了微流控系统来评估PP-CC海绵的止血性能。该系统模拟了血液流动环境，通过监测通道中的颜色变化来确定凝固时间。研究发现，在动态条件下，LCS样品在没有PP的情况下，其凝固时间减少了59%，而在添加PP后，减少了76%。相比之下，HCS样品在没有PP的情况下，凝固时间减少了53%，而在添加PP后，减少了75%。这些结果表明，PP的可控释放对于在动态条件下实现快速止血至关重要。

最后，研究还通过体内实验验证了PP-CC海绵的止血效果。在大鼠肝脏出血模型中，LCS和HCS样品在添加0.5 w% PP后，其血液损失量分别减少了69%。而与市售壳聚糖止血海绵Chitosam?相比，LCS样品的止血时间减少了62%。这些结果进一步支持了PP-CC海绵在止血应用中的有效性。

综上所述，本研究开发了一种基于聚电解质相互作用的新型止血海绵，能够通过PP的可控释放实现快速止血和高血液吸收能力。这种海绵在体外和体内实验中均表现出优异的止血性能，为创伤止血提供了一种新的解决方案。研究结果不仅为未来止血材料的开发提供了理论基础，还展示了PP在止血中的广阔应用前景。