在平民事故和军事战场上及时止血对于防止过度失血至关重要。因此，迫切需要开发强大的止血剂，以便在一些紧急场所能迅速控制不规则形状、深度和不可压缩伤口的出血。形状记忆泡沫和海绵作为止血剂表现出很大潜力，但由于吸收能力有限且膨胀相对较慢，使用受到限制。近年来，冷冻凝胶成为优于形状记忆泡沫和海绵的潜在止血剂。由于可再生材料不足和制造程序繁琐，天然生物聚合物如纤维素、胶原蛋白等已被用于通过溶剂交换法制造冷冻凝胶。但从原料生物质中提取和精炼这些生物聚合物之后，必须添加交联剂，这可能对人体健康有害，从而严重限制了它们在生物医学应用中的使用。因此，如何减少凝胶制备过程中交联剂的添加仍值得探索。
花粉是一种丰富的自然资源，具有中空的内部结构、均匀的微尺度尺寸和坚固的分层结构等独特的性质，最近成为开发新型环保衍生材料的重点。在作者之前的工作中发现原始花粉颗粒可以通过碱性处理转化为柔软的非过敏性颗粒花粉微凝胶，这比从宏观原始生物质中提取生物聚合物更容易和节能。因此，在这项工作中，作者开发了一种基于花粉的形状记忆冷冻凝胶作为止血剂。其方法利用了一个压缩驱动的自交联过程，而不需要添加化学交联剂。这一过程是由花粉的空心微球结构和颗粒花粉微凝胶的成分实现的。这种自交联花粉冷冻凝胶具有良好的血液相容性和生物相容性，为治疗不可压缩性深度出血提供了新的途径。
图1.花粉冷冻凝胶的示意图。该示意图显示了使用压缩驱动自交联制造花粉冷冻凝胶的过程，以及它们作为止血剂用于治疗不可压缩的深部伤口的应用。
向日葵花粉粒在自然界中含量丰富，由蜜蜂收获，具有独特的核壳结构和尖刺结构。它们的壳由两层组成，一层是超强的孢粉素外层，另一层是由纤维素和果胶组成的柔性内层。首先通过脱脂和碱性孵育将生花粉粒转化为花粉微凝胶。随后，通过逐步压缩驱动的自交联方法将花粉微凝胶加工成花粉冷冻凝胶，避免使用能源密集型冻干机。然后将所得花粉冷冻胶浸入去离子水中，以获得水合冷冻凝胶（图1）。
图2.水合状态下花粉冻凝胶的机械性能。
花粉冷冻凝胶在生物流体环境下具有结构稳定性和机械稳健性是治疗深部不可压缩性出血的关键。凝胶在不同水平压缩应变的 1、10 和 50 次压缩载荷循环后，凝胶表现出可忽略不计的应变恢复损失，并且，花粉冷冻凝胶在 20% 、 40% 和 60% 的压缩应变下没有观察到的结构破坏。然而，当冷冻凝胶在 80% 的应变下循环压缩 50 次循环时，观察到应变恢复的显着损失（图2）。
图3. 花粉冰凝胶的制备方法及表征。
凝胶的制备首先是将花粉微凝胶在-20 ℃下冷冻 12 h。然后进行 48 h的溶剂交换过程以获得乙醇交换的花粉微凝胶，最后室温干燥 24 h以获得花粉冷冻凝胶。根据 FESEM 和 FTIR 分析证实，在冷冻之前，由于含水量低，空心颗粒花粉颗粒在花粉微凝胶溶液中随机挤在一起。在 -20 ℃下冷冻后，冰晶的形成迫使相邻的花粉颗粒组织成紧密排列。冰晶持续生长对周围的颗粒施加压力，导致花粉颗粒变平和堆叠。颗粒状空心形状在孢粉素存在下保持完整，并有效地将压缩力相互传递，促进表面接触和更多的氢键。当冷冻花粉微凝胶浸入乙醇中脱水时，冰晶溶解并被乙醇取代，以保持稳定的大孔结构。这种脱水过程迫使花粉微凝胶颗粒更紧密地结合，从而加强氢键，使它们能够承受冰晶溶解产生的解冻力。在环境条件下干燥，花粉颗粒在最终花粉冷冻胶中形成更致密的孔壁（图3）。
图4.自交联法制备花粉冷凝胶的体外水和血液（抗凝小鼠血）吸收性能。
在吸收血液时，花粉冷冻凝胶始终呈现稳定的最大血液吸收能力，与其他传统止血材料如棉纱布、CELOX纱布和胶原蛋白海绵相比，花粉冷冻凝胶也表现出最高的血液吸收能力。此外，在商业产品和预水合花粉冷冻凝胶上滴入500 μL 血滴（抗凝小鼠血液）来测量吸收时间，花粉冷冻凝胶在 2.7 ± 0.1 秒后吸收血液，这比 CELOX 纱布和胶原蛋白海绵的血液吸收快三倍多。理想的流体渗透速度可归因于预水合花粉冷冻凝胶的高度互连的开放大孔。孔壁结构的高表面粗糙度也是增强止血剂功效的主要参数之一（图4）。
图5.自交联法制备花粉冰凝胶的形状记忆性能。
花粉冷冻胶不仅具有用于血液吸收的大孔，独特的重叠颗粒颗粒还提供纳米孔来吸收血液以快速恢复形状。通过在将花粉冷冻胶浸入PBS中进行循环吸收/解吸实验来评估花粉冷冻胶的高度恢复稳定性，花粉冷冻胶在循环三个周期中几乎完全恢复，并在第十个周期时保持了大约 90% 的高恢复率。在循环测试中观察到的高度恢复率表明花粉冷冻胶的结构稳定性。这一特性有助于在反复压迫的情况下实现持续的全容量扩张，这是临床环境中有效治疗深部不可压缩伤口的关键属性（图5）。
图6.花粉冰胶的生物学特性。
与几种商业产品（即胶原蛋白海绵、棉纱布和 CELOX 纱布）的血液凝固指数 （BCI）相比，花粉冷冻胶的 BCI 值明显低于胶原蛋白海绵和棉纱布，但 BCI 值与 CELOX 纱布相当，具有较高的凝血率和更强的促凝能力。小鼠血液中红细胞 （RBC） 和血小板的聚集和表面粘附特性显示，大量红细胞和血小板粘附在花粉冷冻凝胶以及 CELOX 纱布和胶原蛋白海绵上。此外，还发现花粉冷冻胶的血液相容性和细胞相容性优于其他已证明的用于深层不可压缩伤口敷料的止血剂（图6）。
图7.花粉冰胶在正常小鼠肝损伤伤口模型中的体内止血能力评估。
在正常小鼠肝损伤伤口模型中，花粉冷冻凝胶处理的伤口在小鼠肝脏下方的滤纸上具有最小的血迹区域，而当用棉纱布、胶原蛋白海绵、CELOX 纱布和 CELOX 颗粒处理伤口时，滤纸上的血迹面积要大得多。失血总量和止血时间也用于量化花粉冷冻胶和其他测试商业产品的止血效果。在大型动物环境中，花粉冷冻胶表现出优与已有商用材料的止血性能（图7）。
在这项工作中，作者开发了基于花粉的冷冻凝胶作为止血剂，通过加压驱动的花粉微凝胶颗粒自交联来治疗不可压缩的出血。该过程是通过颗粒结构的紧密堆积和花粉微凝胶颗粒在微米和纳米尺度上的分层形态实现的，并且无需对可能对人体健康有害的额外交联剂。花粉冷冻凝胶在水合状态下表现出优异的机械强度和循环机械稳定性，以及良好的吸水和吸血能力、水溶出和吸血后形状恢复迅速。作为止血剂，它们的性能优于其他商业产品，包括棉纱布、胶原蛋白海绵、CELOX 纱布和 CELOX 颗粒，由于其固有的高表面粗糙度，以及孔壁表面丰富的羧基和羟基，还能很好的促进红细胞和血小板的聚集和粘附。使用小鼠肝脏穿孔伤口模型进一步证实了止血性能。这项工作为制造生物安全和非过敏性花粉冷冻胶提供了一种可持续的设计策略，并指出了它们在生物医学应用中的潜在用途。
近期，该研究成果以“Plant-Based Shape Memory Cryogel for Hemorrhage Control”为题发表于学术期刊《Advanced Materials》，论文第一作者为南洋理工大学J. Deng，通讯作者为S. Jung,S. Suresh和N.-J. Cho。
撰稿人：武华君
审稿人：向李
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202311684
抗菌抗污材料前沿
长按二维码关注
获取最新科研消息
