出血和细菌感染是处理危及生命的手术伤口时遇到的主要障碍。大多数用于伤口闭合的生物黏合剂缺乏足够的止血和抗菌性能。此外，它们的密封效果较弱，特别是对于肺和膀胱等可拉伸器官。因此，迫切需要开发一款机械强度高且同时具有抗菌效果的止血密封剂。
作者开发了一种基于明胶甲基丙烯酰（GelMA）的可注射、可光交联和可拉伸的水凝胶密封剂，辅以抗菌铁氧体锌（ZF）纳米颗粒和用于快速凝血的硅酸盐纳米血小板（SNs）。水凝胶能杀死90%以上金黄色葡萄球菌。添加SNs（2%w/v）和ZF纳米颗粒（1.5mg mL−1）到GelMA（20%w/v）将离体猪肺的爆破压提高了40%以上。与市售止血封闭剂相比，这种增强转化为组织密封能力提高了大约250%。此外，在大鼠出血模型中，水凝胶可减少大约50%的出血。
图1.止血抗菌水凝胶的制备和应用。
将GelMA、ZF 纳米颗粒和SN混合制备混合溶液，混合溶液注射到伤口并照射550nm的可见光，形成GelMA-SN-ZF黏附水凝胶（图1）。
图2.水凝胶的流变学和机械特性。
随着光交联反应的进行，存储模量G'显著增加并急剧超过损失模量G'' 。光交联时间的表明所有条件下的凝胶形成时间都不超过1min。通过振荡应变扫描测试，表明所有GelMA-SN交联水凝胶的剪切应变范围内在0.1% 至10%时获得线性粘弹性。在SN含量提高到20mg mL−1增加了断裂伸长率（图2）。
图3. 水凝胶的体外和离体密封能力。
体外爆破压力测试表明SNs或ZF纳米颗粒的添加对GelMA的爆破压力没有显着影响，水凝胶爆破压力至少比市售止血封闭剂大约高3倍。GelMA-SN-ZF水凝胶能够完全密封完全扩张的猪肺，在水下没有任何可见的空气泄漏，表明SNs和ZFs显著增强了伤口黏附力（图3）。
图4.水凝胶的抗菌作用。
随着ZFs含量的增加，活细菌的数量减少，ZF浓度达到1.5mg mL−1，抗菌效果最佳（图4）。
图5.水凝胶的血液相容性和止血特性。
溶血的定量显示，样品组没有明显的溶血，SNs（20mg mL−1）和ZF（1.5mg mL−1） 也没有显著影响溶血活性。GelMA-SN-ZF水凝胶处理后的血凝块比纯GelMA水凝胶处理形成的血凝块更大更厚。在加入SNs和ZF后，水凝胶显著缩短了凝血时间（图5）。
图6.水凝胶的体内止血功效。
用大鼠的肝出血模型评价水凝胶的止血效果，实验结果表明GelMA-SN-ZF水凝胶的止血效果与商用止血剂Evicel相当，显著高于未治疗组。在大鼠主动脉出血模型中，实验结果表明GelMA-SN-ZF水凝胶能够密封主动脉并完全阻止出血，止血效果远好于商用止血剂（图6）。
总之，作者开发了一种含有SNs和ZF纳米颗粒的天然衍生GelMA水凝胶，具有生物黏附、止血和抗菌性能，可用于无缝合伤口的闭合。SNs可实现快速血液凝固，缩短体外凝血时间大约40%，减少体内出血约50%。此外，该水凝胶对某些革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌株的杀菌性能有显著改善。SNs和ZF纳米颗粒的添加明显改善了水凝胶黏附。GelMA-SN-ZF水凝胶是密封复杂伤口的有前途的候选者。
近期，该研究成果以“Injectable, Antibacterial, and Hemostatic Tissue Sealant Hydrogels”为题发表于学术期刊《Advanced Healthcare Materials》，论文第一作者为Reihaneh Haghniaz，通讯作者为加州大学Ali Khademhosseini。
撰稿人：杨白洪
审稿人：姜 莹
论文全文链接
https://doi.org/10.1002/adhm.202301551
抗菌抗污材料前沿
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