仿生灵感非取向珠串状淀粉基纳米纤维膜与负载海泡石纳米管用于高性能止血

《International Journal of Biological Macromolecules》：Bioinspired non-oriented bead-on-string starch-based nanofibrous membranes with immobilized halloysite nanotubes for high-performance hemostasis

　　

**摘要**
不可控性出血是创伤致死的主要原因之一，而传统黏土类止血材料凝血活性不足、黏附力差、抗分散能力弱，并存在远端血栓形成的潜在风险。本研究受鼻腔纤毛捕获微粒机制启发，通过静电纺丝技术制备了四种不同结构的聚乙烯醇/季铵化淀粉（PVA/QSt）纳米纤维膜：定向结构（NFMO）、定向串珠结构（NFM-OB）、非定向串珠结构（NFM-NOB）和非定向结构（NFM-NO）。结果表明，随机串珠纳米纤维膜（NFM-NOB）表现出最优的止血性能。基于该结构，我们提出了一种"结构调控-组分协同"集成策略，通过原位静电纺丝制备了高岭土纳米管（HNTs）增强的PVA/季铵化淀粉（HPQ）纳米纤维膜。通过调节HNTs含量，制备了一系列HPQ纳米纤维膜。最佳HPQ-40实现了快速止血，颗粒损失率低至1.2%（对比QuikClot?的68.4%），血液吸收容量达7.2 g/g。其通过三重协同作用实现止血：非定向串珠纤维通过拓扑互锁捕获血小板、HNTs中空管状结构快速吸收血浆/激活内源性凝血途径，以及带正电荷QSt的电静红细胞聚集/抗菌活性。在大鼠肝脏撕裂和股动脉穿刺模型中，HPQ-40分别将止血时间缩短了52.9%和58.9%，血损量分别减少了82.1%和77.6%，且生物相容性优异。本研究为高性能生物安全止血材料的设计与开发提供了重要的实验依据和新的策略。

**引言**
严重创伤性出血是交通事故、手术操作和战场冲突等场景中的主要死因。在急性大量失血过程中，内源性凝血系统的启动速度和凝血强度往往不足以在"黄金抢救时间"内实现有效止血，随后可能导致失血性休克、多器官衰竭甚至死亡[1]。因此，不可控性出血已成为全球公共卫生领域的重大临床挑战。

黏土基材料，包括沸石[2]、高岭土[3-6]和高岭土纳米管（HNTs）[7]，因其在快速吸收血浆、浓缩血液成分和激活内源性凝血途径方面的独特能力，在军用和民用止血领域受到了广泛关注。然而，传统黏土止血粉末在吸收血液后容易发生显著的体积收缩，导致结构塌陷和抗分散能力不足。这些材料容易从伤口部位脱落，造成二次出血。此外，脱落的颗粒可能通过血液循环迁移至远端器官，导致血栓栓塞、组织坏死甚至截肢等严重并发症[8]。因此，开发具有优异止血活性、结构稳定性和生物安全性的新型止血材料具有重要意义。

近年来，静电纺丝技术的快速发展为构建高性能止血材料提供了新策略[9]。静电纺丝纳米纤维膜具有高孔隙率、大比表面积和模拟细胞外基质的三维网络结构，为血细胞黏附、聚集和凝血级联反应提供了理想的微环境。与传统黏土粉末相比，静电纺丝技术使纳米黏土能够在连续的三维纤维网络中原位固定和均匀分散，从根本上降低了颗粒分散和迁移的风险，同时保留了功能组分的生物活性[3, 10]。基于这些优势，各种凝血活性和生物功能组分已被整合到静电纺丝纳米纤维中。例如，引入纳米黏土和多孔金属有机框架以增强血浆吸收和接触介导的凝血激活[11-13]，而壳聚糖、单宁酸等带电或生物活性组分则用于促进血细胞聚集和抗菌活性[14]。这些组分功能化策略大幅提升了静电纺丝敷料的止血性能和多功能性。然而，以往大多数研究主要关注功能组分的筛选和负载，而纤维架构（包括纤维取向、串珠形态、表面粗糙度和网络拓扑结构）对血液-材料相互作用的内在贡献仍认识不足。因此，利用静电纺丝的结构可调性，在组分修饰之外[9]，可能为实现物理性血细胞捕获与生化性凝血激活的协同提供更有效的方法。

在自然界中，鼻腔纤毛通过纤维结构与表面黏液层的协同效应，高效捕获PM2.5等细颗粒。在此过程中，纤维表面曲率引起的毛细作用和界面黏附显著增强了颗粒附着稳定性[15, 16]。先前的研究表明，在静电纺丝纤维上引入串珠结构可显著提高微米级颗粒的捕获效率，高达96.2%，此类结构已成功应用于空气过滤系统[17, 18]。值得注意的是，血液中红细胞和血小板的尺寸（2-8 μm）与PM2.5颗粒相当，且两者均带有负表面电荷，这表明串珠纳米纤维膜在血细胞捕获方面具有潜在应用价值。此外，串珠结构可调节纳米纤维的堆积密度和表面粗糙度，从而增加血细胞与纤维之间的接触位点和黏附强度。与非定向结构相比，随机纤维网络具有更丰富的分支结构和无序孔隙，为血小板黏附、聚集和激活提供了更有利的空间微环境。因此，构建兼具串珠结构和随机纤维网络的纳米纤维膜，有望实现高效血小板捕获和快速激活，从而显著提升材料的止血性能。

淀粉因其丰富来源、优异生物相容性和可降解性而在止血领域得到广泛应用[18-20]。为进一步提升其止血性能，系统性的功能修饰策略已被广泛研究，包括羧基化、季铵化[21]、醛基功能化、多巴胺修饰[22]和硼酸修饰[23]，成功赋予了淀粉多种生物功能。其中，季铵化淀粉（QSt）通过引入阳离子基团，可与带负电荷的红细胞和血小板发生静电相互作用，从而加速血细胞黏附和凝血过程，同时为材料提供抗菌活性[24]。然而，在严重出血条件下，仅基于QSt的材料凝血效率仍待进一步改善。高岭土纳米管（HNTs）作为一种天然黏土矿物，具有独特的中空管状结构和高长径比[25]。其大比表面积和强毛细效应使其能够快速吸收血浆，导致局部血液浓缩[26]。同时，浓缩的HNTs表面上的活性位点可直接激活凝血因子XII，从而启动内源性凝血途径[27]。因此，HNTs表现出优异的止血活性和良好的生物安全性。

尽管QSt和HNTs在止血应用中各具独特优势，但其整合仍面临若干挑战。淀粉分子链具有相对较高的刚性和较低的导电性，导致静电纺丝过程中链缠结不足，难以形成连续均匀的纤维结构[28]。聚乙烯醇（PVA）作为一种具有优异生物相容性和机械性能[23]的合成高分子，具有可调的溶液粘度和良好的链缠结能力，因此被广泛用作纳米纤维制备的纺丝助剂[24]。先前的研究表明，静电纺丝技术能够实现多种功能组分的有效整合[29, 30]。基于此，我们提出了一种"结构调控-组分协同"的集成设计策略，通过静电纺丝将QSt、PVA和HNTs结合，构建随机串珠纳米纤维网络。在该体系中，HNTs用于快速吸收血浆和血液浓缩，而随机串珠结构则实现高效血细胞捕获。同时，带正电荷的QSt和HNTs的引入通过静电相互作用和快速血浆吸收的协同效应加速了凝血过程。此外，PVA良好的可纺丝性和机械强度提升了纳米纤维膜的结构稳定性和抗分散能力。为验证该设计策略，我们首先通过静电纺丝制备了四种不同结构的PVA/QSt复合纳米纤维膜，包括定向结构（NFMO）、定向串珠结构（NFM-OB）、非定向串珠结构（NFM-NOB）和非定向结构（NFM-NO）。系统评估了纤维结构对材料理化性质和止血活性的影响，确定了随机串珠结构为最优止血架构。随后，通过原位共混静电纺丝引入不同含量（0%、20%、40%和50%）的HNTs，制备了一系列随机串珠HNTs/PVA/QSt纳米纤维膜，分别标记为HPQ-0、HPQ-20、HPQ-40和HPQ-50。理化表征证实了HNTs通过静电纺丝与PVA/QSt体系的成功整合。进一步研究了影响纳米纤维膜柔韧性、透气性、亲水性和机械性能的因素。此外，采用体外凝血实验和体内动物模型系统评估了膜的止血性能和生物安全性，最终优化了具有最佳止血效果的基于HNTs的纳米纤维膜（图1）。

**材料与动物**
高直链淀粉（75%直链淀粉含量）由海南甘霖农业科技有限公司（中国）提供。聚乙烯醇（PVA，重量平均分子量（Mw）为2×10?，水解度98-99%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国）。高岭土纳米管（HNTs）由广州润沃材料科技有限公司（中国）提供。QuikClot?从美国Z-Medica, LLC公司商业获得。医用纱布购自华鲁医用材料有限公司（中国）。动物从……采购

**PVA/QSt纳米纤维膜的微观结构表征**
为验证不同结构构型PVA/QSt纳米纤维膜的成功制备，进行了SEM图像形态表征，并对纤维直径进行了定量分析。图2展示了四种不同结构PVA/QSt纳米纤维的SEM图像及相应的直径分布直方图。这四种纳米纤维结构通过调节纺丝溶液浓度和收集器旋转速度制备

**结论**
受鼻腔颤须纤维空气过滤机制启发，我们首先探索了纤维架构对止血性能的影响。通过静电纺丝制备了四种不同结构的PVA/QSt纳米纤维膜——定向结构（NFMO）、定向串珠结构（NFM-OB）、非定向串珠结构（NFM-NOB）和非定向结构（NFM-NO）。结果表明，NFM-NOB架构独特地增加了表面粗糙度，同时降低了水接触角

**CRediT作者贡献声明**
李晨曦：撰写-原稿、软件、方法论、形式分析、数据整理、概念构思。胡书源：调查、形式分析、数据整理。黄振华：方法论、形式分析、数据整理。张东：验证、监督、项目管理、形式分析。刘长生：监督、资金获取。陈芳平：撰写-审阅与编辑、监督、资源、资金获取。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有可能影响本文工作的相互竞争的经济利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（编号：32471407；32171342）和国家重点研发计划（SQ2023YFC2400025）的资助。作者感谢华东理工大学分析与测试中心在表征方面提供的帮助。

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