一种基于壳聚糖的抗感染、促凝血复合海绵，具有形状记忆功能，能够在多组织缺损处有效止血

《Materials Today Communications》：An anti-infective and pro-coagulant chitosan-based composite sponge with shape memory for effective hemostasis in multi-tissue defects

本研究开发了一种具有形状记忆特性的复合海绵，通过壳聚糖季铵化与磷化修饰及聚乙二醇交联，结合层状硅酸盐材料，实现了止血与抗菌的双重功能。实验证明该海绵能促进血细胞聚集活化，激活内源和外源凝血途径，并有效抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌感染。在动物模型中其止血效果优于商用止血材料，为多组织缺损治疗提供了创新解决方案。

　　

杜新晨|李如香|刘亚东|侯炳豪|孙涛生|王连勇

内蒙古巴彦淖尔市河套学院化学与环境工程系，015000，中国

摘要

开发一种具有形状记忆功能的抗感染和促凝海绵，用于多组织缺损处的止血仍是一个挑战。本文采用季铵化和磷酸化的壳聚糖、二琥珀酰亚胺碳酸酯改性的聚乙二醇以及凹凸棒土制备了一种新型复合海绵。该海绵具有大孔结构、足够的机械强度、对水和血液的高亲和力，并且在接触水和血液后能够恢复形状。该海绵促进了血细胞的粘附、聚集和激活，同时激活了内源性和外源性凝血途径。在细菌感染的大鼠皮肤缺损模型中，该海绵对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出显著的抗菌效果。更重要的是，在大鼠股动脉损伤、大鼠肝脏和兔股骨缺损模型中，这种生物相容性海绵的止血能力优于商用止血剂。所开发的海绵在多组织缺损处的止血和抗感染方面具有巨大潜力。本研究为设计和制备新型壳聚糖基止血海绵提供了一种新策略。

引言

在战场、交通事故和自然灾害等紧急情况下，受伤者经常出现多组织缺损[1]，[2]。缺损组织的特点是出血无法控制，可能导致意外并发症甚至死亡[3]。尽管血液凝固在出血时立即被激活，但仅靠血块往往不足以有效控制出血[3]。因此，开发能够帮助止血的生物材料非常必要。具有形状记忆功能的海绵在吸收血液后可以恢复初始形状，填充伤口并施加机械压力，成为多组织缺损处有效止血的有希望的策略[4]，[5]。迄今为止，已经开发了多种商用海绵，包括明胶海绵、聚乙烯醇海绵和Xstat，用于伤口止血[6]，[7]，[8]，[9]。此外，还有许多非商用海绵的报道[10]，[11]，[12]。例如，郑等人开发了一种具有形状记忆功能的氧化普鲁兰海绵，用于控制出血[10]。然而，由于促凝性能不足（如与血细胞的相互作用较弱，以及激活内源性和外源性凝血级联途径的能力有限），这些海绵在处理大量出血时可能会遇到一定的挑战。此外，许多海绵的抗菌效果较差，难以保护伤口免受细菌感染，从而限制了其实际应用。这是因为细菌感染类似于无法控制的出血，也可能导致意外并发症甚至死亡[13]，[14]，[15]。因此，开发兼具强大抗菌效果和促凝性能的形状记忆止血海绵对于多组织缺损处的止血和抗感染至关重要。

壳聚糖是一种从几丁质脱乙酰化得到的天然多糖，因其生物相容性、生物降解性、固有的促凝性能和抗菌效果而备受重视[16]，[17]。壳聚糖在结构上富含胺基团，这使其可以通过进一步的化学修饰来增强其生物性能[17]。血细胞，特别是红细胞和血小板，在生理止血过程中起着关键作用[18]，[19]。它们调节血液流变学，形成紧密堆积的多面体细胞，促进血小板粘附和激活，释放凝血因子，生成凝血酶，并缩短凝血时间[20]，[21]。血细胞膜富含磷脂，含有带负电的磷酸基团和带正电的季铵基团[22]。同时具有季铵基团和磷酸基团的聚合物可以通过静电作用与血细胞相互作用，从而促进其粘附、聚集和激活[20]，[22]，[23]。因此，可以预期，使壳聚糖同时具有季铵基团和磷酸基团，通过多种静电作用与血细胞相互作用，将有效增强其促凝性能。

纳米粘土（如高岭土、蒙脱石、哈洛伊石和凹凸棒土）因其在止血剂开发中的应用而受到广泛关注[24]，[25]，[26]。这主要是由于它们的低成本和有效的凝血活性。其中，凹凸棒土是一种天然水合的镁铝硅酸盐粘土矿物，在激活内源性和外源性凝血途径方面显示出巨大潜力[27]，[28]，[29]。然而，作为一种粉末状止血剂，凹凸棒土通常不能单独使用，因为存在复杂的清创过程、在血流过快时止血效果减弱以及潜在的血栓风险[24]，[28]。将凹凸棒土与多孔海绵结合是一种有效的策略，可以最大化其促凝性能，避免清创手术的需要，并在一定程度上降低血栓风险[24]，[29]。

在本研究中，我们旨在开发一种具有形状记忆功能的抗感染和促凝海绵，用于多组织缺损处的止血。为了制备这种海绵，首先将壳聚糖依次用带正电的季铵基团和带负电的磷酸基团进行修饰，得到季铵化和磷酸化的壳聚糖（QPC）。然后，使用低温凝胶化方法将QPC与二琥珀酰亚胺碳酸酯改性的聚乙二醇（DMP）交联，随后冷冻干燥制备QPC/DMP海绵（方案1A）。最后，将凹凸棒土（A）物理吸附到QPC/DMP海绵中，制备A/QPC/DMP海绵。通过体外和体内实验研究了A/QPC/DMP海绵在多组织缺损处有效止血和抗感染的潜在应用（方案1B）。本研究为多组织缺损处的止血和抗感染开发了一种有前景的材料，并为设计和制备具有强大抗感染和促凝性能的壳聚糖基止血海绵提供了一种新策略。

材料

壳聚糖（CS，分子量100 kDa，脱乙酰化程度85.3%）由济南海德贝海洋生物工程有限公司（山东）提供。2-羧乙基膦酸、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、缩水甘油三甲基氯化铵（GTMAC）、二琥珀酰亚胺碳酸酯和聚乙二醇（PEG，分子量6 kDa）由上海阿拉丁生化科技有限公司提供。凹凸棒土（A）由...

QPC和DMP的合成与表征

QPC是通过CS与GTMAC之间的环开反应合成的（图1A）。使用¹H NMR光谱表征了QC的化学结构。4.51和3.24 ppm处的峰分别对应于CS中的亚甲基质子（a）和GTMAC中的季铵基团的甲基质子（b）（图1B）。这一发现证实了QC的成功合成，接枝率为32%。为了合成QPC，使用2-羧乙基膦酸对QC进行了化学修饰...

结论

总之，所开发的A/QPC/DMP海绵具有大孔结构、对水和血液的高亲和力、增强的机械强度以及快速的形状恢复能力。该海绵通过QPC与血细胞膜之间的多种静电作用促进了血细胞的粘附、聚集和激活。此外，由于加入了凹凸棒土（A），该海绵还激活了内源性和外源性凝血途径。该海绵对...

CRediT作者贡献声明

刘亚东：方法学研究、数据管理。侯炳豪：方法学研究、数据管理。孙涛生：指导、方法学研究、数据管理。王连勇：写作 – 审稿与编辑、指导、概念构思。杜新晨：写作 – 初稿撰写、方法学研究、资金申请、数据管理、概念构思。李如香：写作 – 审稿与编辑、方法学研究、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了内蒙古自治区自然科学基金（2023QN03020）、河套学院高层次人才引进项目（HYRC202301）和巴彦淖尔市高层次人才引进支持项目的财政支持。