可注射生物炭增强海藻酸水凝胶用于潮湿和可变形条件下的止血

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Injectable Biochar-Reinforced Alginate Hydrogels for Hemostasis under Wet and Deformable Conditions

　　

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  可持续生物炭增强的可注射藻酸盐水凝胶
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  动态力学条件下湿组织粘附性改善
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  自愈合性能与机械适应性增强
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  体内实验证实局部止血效果显著
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  生物相容性良好，未检测到全身毒性

引言

无法控制的出血仍然是创伤和外科手术中死亡率的主要原因之一[1]、[2]。因此，需要有效的止血装置来促进血液快速凝固、覆盖伤口并改善临床结局。在这些材料中，止血水凝胶因其良好的生物相容性和维持湿润伤口环境的能力而备受关注[3]、[4]。它们通常由天然多糖（如壳聚糖和藻酸盐）[5]、[6]以及合成聚合物（如聚乙烯醇、聚环氧乙烷及其衍生物共聚物和聚丙烯酸盐）[7]构建而成。

除了止血性能之外，可注射性和自愈合功能也是多功能水凝胶设计中的重要特征，因为它们为医学实践提供了显著优势[2]、[8]。例如，水凝胶能够适应伤口不规则几何形状的能力使其适用于微创治疗。然而，在生理环境中应用时，水凝胶结构通常容易因身体运动或外部压力而发生变形或机械损伤，这可能降低其功能性能[9]。为解决这些问题，人们提出了可注射[10]和自愈合[11]水凝胶。自愈合水凝胶中引入了可逆动态相互作用，使水凝胶网络在受损后能够自行修复，从而增强其在医学应用中的耐久性和功能性[12]。然而，在注射过程中及其后续变形期间维持结构完整性仍然是一个重要挑战[13]。为克服这一限制，可将碳基纳米材料[14]、金属离子[15]和小分子[16]等增强相引入水凝胶网络。对于局部应用的止血材料而言，与湿润且机械动态的组织表面保持充分接触对于将材料维持在出血部位同样重要[17]、[18]。

在此，我们提出了一种多功能水凝胶平台，由99%的天然组分构成，旨在结合可注射性、结构稳定性、自愈合、湿表面保持和局部止血性能。为在保持可注射性的同时增强结构稳定性和恢复能力，通过受控碳化和活化工艺生产了可持续来源的榛树枝生物炭（HB），并将其作为颗粒增强相引入（图1a）。以海藻酸钠（SA）作为聚合物基体，采用Ca²?离子的离子交联策略进行稳定。此外，添加了少量聚乙烯吡咯烷酮（PVP），通过形成链间氢键相互作用来提高网络的机械和化学稳定性（图1b）。本研究的核心问题是：HB的引入是否能够在保持离子交联SA/PVP水凝胶所需的剪切变稀可注射性的同时，提高其对机械破坏的抵抗力和结构恢复能力。尽管含水量达97%，所得水凝胶仍表现出高结构完整性，能够被注射并适应不规则表面（图1c）。HB的引入改善了水凝胶的自愈合行为，使其在受到机械损伤后仍能保持功能完整性（图1d）。该系统表现出湿组织表面保持能力和止血活性（图1e）。在一个概念性使用案例中（图1f），该水凝胶被证实可在微创注射后适应不规则伤口表面，维持局部接触，并在出血部位提供物理屏障。将HB引入离子交联SA/PVP水凝胶后，产生了一种多功能材料，在单一平台上结合了结构完整性、自愈合、组织接触和止血性能。由于其制备工艺简单且主要组分为天然来源，该水凝胶在需要可注射且局部作用的止血材料的生物医学应用中展现出潜力。

章节片段

材料与方法

关于材料、仪器、实验方案和统计分析的详细描述已适当提供在补充信息中。

HB的合成与结构表征

如图1a所示，HB通过热解后进行KOH活化制备。图2a展示了根据HB的结构和物理化学表征所得到的预期化学结构。与原始榛树枝相比，HB表现出更高的热稳定性（图S1a）。傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析（图S1b）显示，O?H、C═O和C?O?C基团的吸收带降低，且C═O伸缩振动从约1720 cm?¹偏移至1580 cm?¹，这与芳构化过程一致。

结论

我们开发了一种由榛树枝衍生生物炭增强的可注射藻酸盐水凝胶，以应对湿润且机械动态条件下的止血需求。生物炭的引入在保持水凝胶可注射性的同时改善了其机械适应性，从而增强了自愈合行为、湿组织粘附性和结构稳定性。优化后的配方还表现出快速血块形成、低溶血活性和良好的细胞相容性。重要的是，

动物实验对象

本研究遵循以下动物福利和/或报告指南：动物实验根据土耳其相关国家法规和实验室动物护理与使用指南进行，并经相关机构动物实验伦理委员会批准。

本研究已获KOBAY DHL A.?.地方伦理委员会批准。

（批准编号：779）

生成式AI及AI辅助技术声明

在本文撰写过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改善手稿的清晰度、语法和语言表达。作者对所有生成内容进行了批判性审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

数据可用性

支持本研究结果的所有数据均已提供在文章及其补充信息文件中。有关本研究的其他相关信息可通过联系通讯作者获取。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

CRediT作者贡献声明

?ykünaz Duranlar：写作 – 审阅与编辑、方法论、调查研究。?. Zeynep Güner Y?lmaz：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿撰写、可视化、方法论、调查研究、正式分析、数据管理、概念构思。An?l Y?lmaz：写作 – 初稿撰写、可视化、方法论、调查研究。Serdar Yaman：监督指导。Hanzade A?ma：监督指导。F. Seniha Güner：监督指导、经费获取、概念构思。Gül?ah Torkay-?ay：写作 – 初稿撰写，

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告工作的客观性。

致谢

本研究由伊斯坦布尔技术大学科研项目管理处（ITU BAP）在ILAP项目（项目编号：2024-46104）下资助支持。

?. Zeynep Güner Y?lmaz|?ykünaz Duranlar|An?l Y?lmaz|Simge ?etin|Gül?ah Torkay-?ay|Zarife Nigar ?zdemir-Kumral|Ay?a Bal-?ztürk|Hanzade A?ma|Serdar Yaman|F. Seniha Güner