东华大学ACS Nano：超弹、生物黏附自膨胀冷冻凝胶，可用于高效止血和伤口愈合！

自膨胀型低温凝胶在治疗无法控制的出血方面有着独特的前景。具有高度相互连接的多孔结构的散装低温凝胶可以吸收液体，并允许液体自由流动，赋予它们快速自膨胀的特性，用于不可按压止血的伤口。最近，通过电纺生物活性玻璃纳米纤维和吸水聚合物的结合，开发了散装生物活性玻璃纤维状的低温凝胶。生物活性玻璃（BG）是一种无机生物材料，由于其物理和化学止血功能，不仅可以加速止血，而且由于SiO ₄ ^4- 离子的释放而具有良好的生物活性，促进血管生成和组织再生。然而，由于生物活性玻璃纳米纤维的脆性特征，这些冷冻凝胶的抗压弹性很差。此外，由于低温凝胶和生物组织之间的附着力较弱，纳米纤维低温凝胶止血材料可能会脱落。

针对这些问题， 东华大学 俞建勇院士 、 丁彬研究员 团队 近期开发了 一种由高度灵活的生物活性玻璃纳米纤维和柠檬酸交联的聚乙烯醇（PVA）组成的具有超弹性、生物粘附力和生物活性的自膨胀纳米纤维冷冻凝胶 （BGNC）。 这些BGNCs表现出高吸收能力（3169%）、快速的自膨胀能力、接近零的泊松比、可注射性、在80%的应变下的高压缩恢复性、强大的抗疲劳性（在60%的应变下800次循环后几乎没有塑性变形），以及与各种组织的良好粘合性。 BGNCs能持续释放Ca、Si和P离子，从而促进伤口的愈合。此外，与商业明胶止血海绵相比， BGNCs在兔子肝脏和股动脉出血模型中呈现出更好的凝血和血细胞粘附能力，以及更出色的止血能力。此外，BGNCs能够在大约1分钟内为大鼠心脏穿刺损伤止血，并能够促进大鼠全层皮肤的伤口愈合。 该工作以题为“Flexible Bioactive Glass Nanofiber-Based Self-Expanding Cryogels with Superelasticity and Bioadhesion Enabling Hemostasis and Wound Healing”的文章发表于 ACS Nano 上。

BGNC的制备及基本性质

BGNC的自扩张性和生物组织的黏附力，他们主要采用了纳米纤维冷冻技术和原位交联方法来构建三维纳米纤维结构的低温凝胶。以柠檬酸为交联剂的吸湿性PVA在BG纳米纤维之间形成弹性结合。此外，柠檬酸上残留的自由羧基与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）反应，提供了生物粘附能力。

其中，柔韧的BG纳米纤维通过电纺和煅烧制备。与传统的脆性BG纳米纤维明显不同的是，所制备的BG纳米纤维膜具有连续的相互渗透的纤维结构和较低的纤维堆积密度，具有弹性，可以折叠而不开裂。通过元素分析，Ca的空间分布与Si的空间分布一致，表明元素沿纳米纤维的均匀分布。

然后，通过冷冻干燥技术将灵活的短纳米纤维组装成稳定的大块BGNCs。BGNCs的FESEM图像显示了分层的多孔结构，包括片状多孔（20-40μm）和孔壁上的小孔（1-2μm）。与其他聚合物低温凝胶相比，BGNCs表现出由柔性BG纳米纤维核心和PVA聚合物包裹层组成的网络单元。互联的分层细胞结构的形成机制可归因于由冰晶的生长和融合引起的相分离。当PVA/纳米纤维水分散体被冷冻时，冰的形成导致纳米纤维和聚合物在冰晶中聚集，导致PVA包裹在纳米纤维的表面。通过升华去除晶体模板后，产生了一个连续的纳米纤维细胞网络。然后，将所制备的含有柠檬酸的低温凝胶加热，使PVA交联，产生了稳定的纳米纤维多孔结构。 BGNCs能够在4秒内达到超过其干重30倍的最大吸水率，这明显高于PVA低温凝胶（6秒内吸水率约为其干重10倍）。BGNCs的高度和快速吸水确保了伤口部位的快速血液吸收。 此外，还需要一个外部力量来压迫血管，以加速止血。BGNCs的膨胀应力（2.72千帕）约为PVA低温凝胶（0.58千帕）的4.7倍， 表明柔性BG纤维基细胞低温凝胶可以为治疗严重出血或开放性伤口提供更快的自我膨胀和较大的机械压力。

止血材料对湿润组织表面的粘附行为对于防止其从病变部位脱落具有重要意义。BGNCs的相互连接的多孔结构有利于快速水化，导致界面水的快速去除。同时，包裹在纤维表面的柠檬酸交联的PVA与生物组织形成静电相互作用和氢键。为了建立强大的长期结合，NHS基团被嫁接到留在柠檬酸上的自由羧酸基团上，使柠檬酸交联的PVA中的羧基与生物组织中的胺基之间发生共价反应。BGNCs可以紧密地粘附在各种生物组织上，包括猪的皮肤和大鼠的心、肝和肺。与湿的肝实质相比，BGNCs在干燥的器官囊表面显示出更大的剪切强度和粘附能量。 此BGNCs可以在不同的组织表面形成稳定的粘附（心脏约为7.32 kPa，胃为5.09 kPa，肌肉为5.03 kPa，皮肤为6.49 kPa）和粘附能量（心脏约为27.72 J m ^-2 ，胃为28.84 J m ^-2 ，肌肉为14.94 J m ^-2 ，皮肤为22.38 J m ^-2 ）。 可以看出，与商业明胶止血海绵相比，BGNCs显示出更好的粘附能力。

BGNC在伤口愈合上的应用

在兔肝和股动脉出血模型中研究了BGNCs的止血能力。与没有膨胀能力的明胶海绵和PVA凝胶相比，自由直径为12毫米的形状固定的BGNCs可以用注射器注射到不可压缩的肝脏缺损孔中，然后迅速膨胀以填充缺损孔来止血。在没有止血材料处理的情况下，肝脏伤口出血的止血时间约为10.9分钟。将BGNCs插入肝脏缺陷后，止血时间（1.8分钟）明显减少，比商业明胶止血海绵（6.2分钟）和PVA凝胶（4.6分钟）短得多。此外，BGNCs导致的失血量（1.0克）比对照组（8.4克）、商业明胶海绵（4.5克）以及PVA凝胶（3.6克）要少。除了不可压缩的出血外，动脉中的出血也会威胁到生命。为进一步的实验准备了一个兔子股动脉损伤模型。用23G针头在股动脉上做了一个穿刺。BGNCs在1.6分钟后观察到完全止血，明显短于纱布（8.3分钟）、商业明胶海绵（5.7分钟）和PVA凝胶（7.6分钟）。与纱布（8.9克）、明胶海绵（6.0克）和PVA凝胶（7.3克）相比，BGNCs造成的失血量也最少（0.9克）。BGNCs的特殊止血行为可主要归因于以下三个因素。首先，BGNCs具有独特的纳米纤维相互连接的多孔网络结构，有利于快速吸收血液和激活血小板，从而达到止血的初级阶段。第二，压缩的超弹性BGNCs可以迅速自我膨胀以填充伤口并产生膨胀力。这种膨胀力相当于对周围血管的人工压迫，有效地止住了出血。此外，包裹在BG纤维表面的羧基化PVA可以与生物组织相互作用，以密封出血点。第三，释放到血液中的Ca2+离子有助于凝血酶转化为凝血酶，促进纤维蛋白的形成。因此，快速吸血能力、自膨胀和粘附能力以及Ca2+离子的刺激同时增强了BGNCs的初级和二级止血过程。

小结： 通过构架有效的多空结构，这篇文章提出了一种具有超弹性、组织粘性和生物活性的自膨胀冷冻凝胶，能够快速止血和有效的伤口愈合。得益于灵活的BG纳米纤维和稳定的细胞结构，所得到的BGNCs表现出高吸水能力、快速自膨胀能力、接近零的泊松比、可注射性和超弹性，超过800次压缩循环而不发生塑性变形。此外，BGNCs可以紧密地粘附在各种组织上。同时，BGNCs显示出持续的离子释放，以及对血细胞的高粘附性。在兔肝和股动脉出血模型以及大鼠心脏损伤模型的体内研究证实，BGNCs可以实现快速有效的止血，优于商业明胶止血海绵。BGNCs的成功构建不仅为无法控制的出血和组织修复提供了有效的工具，也为开发纳米纤维状、相互连接的多孔、有弹性和形状适应性的大宗无机生物活性材料提供了可能。

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