不可压迫性出血的止血材料研究进展

朱 赫,侯皓中,冯天玺,杨晓剑

1.延安大学医学院,陕西 延安 716099; 2.空军军医大学西京医院泌尿外科,西安 710032

现代战场的创伤主要为火器伤或复合伤且伴随严重的出血,不能有效控制出血是导致可预防性死亡的主要原因之一[1]。一项2001年10月—2011年6月伊拉克战场4 596例死亡病例的分析显示,约88%的战伤死亡发生在伤员被送至医疗救治机构之前,其中24%的可救治性死亡伤员中,又有约90%的伤员死于严重出血[2]。现代战场上最主要的出血部位为躯干(67%),其次为一些结合部位如腹股沟部、颈部、腋窝等(19%),以及四肢(14%)[2]。由于防护装置性能提升、新型止血带以及止血材料的广泛应用,四肢大出血得到有效控制;但因大血管的走行,躯干的严重创伤、腹内主要器官损伤以及某些肢体结合部位或关节连接部位等交界区的损伤,往往会导致大出血,且难以使用压迫或止血带等方式有效、快速控制出血,被称为不可压迫性出血,导致病死率一直居高不下[3-5]。随着战场和战伤形式的改变,对创伤止血的要求越来越高,止血材料的选择不断变化。目前主要的止血材料如沸石QuickClot[6]、海藻酸盐[7]、壳聚糖[8]、血纤蛋白基绷带或明胶基止血剂[9]等均对出血伤口有很高的止血效率,但它们通常对不可压迫性出血无效[10]。现国内外对止血材料进行了更深度的研究,开发了一系列针对不可压迫性出血的止血材料。

1 已用于不可压迫性出血控制的装置

目前已有几种控制不可压迫性出血的装置已被应用。(1)腹主动脉和交界止血带(abdominal aortic and junctional tourniquet,AAJT),是一种通过外部压迫来阻塞主动脉血流的装置,作为临时止血装置已被应用,但AAJT的应用容易导致腹内脏器损伤、横纹肌溶解等并发症[11];(2)复苏性主动脉血管内球囊阻断术:将球囊放入主动脉来控制腹盆部的不可压迫性出血,但需要专业的医务人员才能应用且可能导致缺血、再灌注损伤等问题[12];(3)局部加压止血夹:可用于交界部位的止血,同样有操作要求高与易导致缺血性损伤的问题[13]。这些止血装置便携性差、使用要求高而且容易导致并发症[14]。

美军近年研制了控制不可压迫性出血的新型局部加压止血器XStat。XStat中装有约100块直径9mm、高度4.5mm、外层覆盖有壳聚糖(chitosan,CS)物质的纤维素压缩海绵,通过特殊注射器注入不可压迫性出血的伤口中,与血液接触可迅速扩张至12倍,无需手动按压,海绵自伤口内部施加压力,达到抑制深部大出血的目的[15]。Sims等[15]通过使用猪锁骨下动脉不可压迫性出血模型,比较了XStat与QuikClot战斗纱布(QuikClot combat gauze,QCCG,目前战场上常用的一种含有高岭土粘土材料的止血敷料)[16]的止血性能,XStat止血时间显著缩短(31svs.65s),失血量更少。Kragh等[17]对XStat海绵的物理性能进行测试,发现XStat在伤口内部10s内可填充完毕且所施加的压力更为均匀与对称。但XStat压缩海绵含有大量的纤维素,膨胀后不可吸收,通常要求在止血后4h内手术取出[15]。

2 基于壳聚糖基的止血材料

壳聚糖是一种提取自贝壳类的天然碱性高分子多糖,CS自身所带正电荷可促使血细胞或带负电荷的细胞、蛋白聚集,诱导血小板聚集活化。因CS具有良好的凝血性、组织黏附性、生物相容性、无免疫原性等特点,已被广泛应用于生物医学及各种止血材料的研究[18-19]。Zhao等[20]将具有良好吸水、自膨胀性能的聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,PVA)海绵[21]与CS交联,研发了一种合成聚乙烯醇-壳聚糖(PVA-CS)止血海绵。PVA-CS海绵可注射到不可压迫性出血的伤口部位,吸收血液后体积扩张8倍,并对周围血管持续施加压力以达到抑制出血的目的。在猪股动脉切开模型中,比较了PVA-CS30(CS占30%的PVA-CS海绵)与PVA海绵组的止血性能,止血时间分别为2～3min、>6min,且PVA-CS30在2h后移除无再出血。猪股动脉枪伤模型中,PVA-CS30在3min内止血;同时利用小鼠皮肤缺损模型验证材料促愈合性能,PVA-CS30观察到细胞增殖、活力更强,伤口恢复更快,但PVA-CS海绵不可降解需手术取出[20]。

季铵化壳聚糖(quaternized chitosan,QCS)比CS有更好的水溶性与抗菌性而被广泛用于止血材料的研究[22];具有大孔结构的独特支架的冷冻凝胶也是一种被广泛应用的止血材料,但其力学性能与机械强度相对较弱[23];Zhao等[24]通过添加碳纳米管(carbon nano tube,CNT)材料[25]来增强冷冻凝胶的物理性能,研发了可注射的碳纳米管增强季铵化壳聚糖(QCS/CNT)冷冻凝胶。QCS/CNT冷冻凝胶中的季铵基团带有正电与血液成分产生相互作用,促进吸附止血。经小鼠环形肝损伤出血模型验证QCS/CNT止血性能,明胶海绵、QCS/CNT4(4mg/mL CNT)冷冻凝胶与纱布组止血时间分别为73、82和101s,出血量为123、27、163mg;在兔肝脏缺损模型中,注射QCS/CNT4冷冻凝胶失血量更少、止血速度更快。QCS/CNT冷冻凝胶具有良好的抗菌促愈合性能,通过小鼠皮肤缺损模型,冷冻凝胶与Tegaderm敷料对比,QCS/CNT4冷冻凝胶组伤口在第10天上皮层近乎完整,仅有少量炎症反应,15d完全愈合,而Tegaderm组上皮层仍粗糙、不完整。虽然QCS/CNT冷冻凝胶有良好的生物相容性,但QCS与碳纳米管均在生物体内难以降解,需手术取出[24]。

3 新型复合止血材料

CS材料也有一定的局限性,其降解性能差、降解耗时长、不及时取出易导致炎症[26],而且单独使用常对深部大出血和不可压迫性出血效果有限。目前多数止血材料是以CS为基质制备的新衍生物或添加纤维蛋白粘合剂增强止血效果[1]。随着止血材料的不断发展,逐渐倾向于多学科融合发展,研发新型复合止血材料。

用于院前出血控制的止血材料应具有良好的生物相容性、降解性高的特点[27]。而甲壳素衍生物羧甲基甲壳素(carboxymethyl chitin,CMCH)有很强的亲水性,可在溶菌酶的作用下降解且无毒副作用[28];同时聚多巴胺有较强的黏附性与降解性,可以黏附在许多材料之上,附着后的材料有良好的稳定性[29]。由于交联剂可能导致降解与生物安全等问题,Lv等[30]在不使用交联剂的基础上研发了附着聚多巴胺的羧甲基甲壳素止血海绵,同时添加了胶原蛋白进一步增强海绵的止血性能与生物相容性。研究[30]显示CMCH海绵在吸收血液后迅速膨胀持续对周围释放压力并激活凝血途径,在大鼠肝脏穿透模型中,CMCH海绵在60s内止住肝脏出血,失血量约为0.44g,优于临床使用的胶原海绵iRegene(114s,0.65g)。CMCH海绵具有良好的降解性,在20mg/L溶菌酶作用下32d内海绵完全降解,在大鼠皮下植入海绵依次观察7、17、28d,28d后未见海绵残留且无炎症及不良反应。

Beaman等[31]研发了一种合成聚氨酯形状记忆聚合物(shape memory polymer,SMP)泡沫,将预成型海绵加热到热转变温度,压缩和冷却形成以压缩状态储存的聚合物泡沫,遇到血液迅速膨胀压迫止血。使用猪肝损伤出血模型,比较SMP泡沫粉末(搅拌研磨的SMP精细粉末)与XStat和QCCG对不可压迫性出血伤口的止血性能,SMP泡沫粉末出血时间为(21±7)min,较XStat减少28%[(29±2)min]、较QCCG减少23%[(27±4)min];XStat组与QCCG组失血量分别为(1300±300)mL、(1300±400)mL,SMP泡沫粉末组减少11%[(1100±300)mL],且使用SMP泡沫粉末处理的动物存活率远高于其他两组。SMP泡沫粉末对不可压迫性出血是一种有效的方式,但在这项研究中并未直接使用记忆泡沫,而是使用SMP泡沫粉末进行体内止血实验,故SMP泡沫止血性能仍需进一步实验确定。

基于明胶的止血剂已被广泛使用,明胶物质可以促进血小板聚集,提高止血效率且具有良好的生物相容性与生物降解性[32-33]。通常明胶海绵有良好的止血能力,但无法应对深部不可压迫性出血。Huang等[34]利用明胶、聚多巴胺在低温条件下聚合制备了一系列可生物降解的互穿聚合网络(interpenetrating polymer network,IPN)冷冻凝胶,交联明胶与聚多巴胺的IPN结构赋予冷冻凝胶坚固的机械性能与形状记忆性能。在大鼠肝切口模型中,GT25/DA8(止血凝胶中明胶和多巴胺浓度分别为25mg/mL、8mg/mL)止血时间62s,失血量9mg,远少于其他凝胶组与纱布组。在兔肝交叉切口模型中,GT25/DA8止血时间82s,失血量1.7g,止血性能最好。通过猪锁骨下动静脉完全横断模型比较GT25/DA8、PVA海绵与纱布的止血性能,止血时间分别为5.8、23、25.4min,失血量分别为193、678、487mL。应用GT25/DA8与Tegaderm敷料在小鼠全层皮肤缺损模型中评估材料的抗菌促愈合性能,治疗3d后GT25/DA8组皮肤创面收缩近50%,而Tegaderm敷料组仅25%,治疗14d后,GT25/DA8组创面愈合,Tegaderm敷料组创面收缩率80%。由于GT25/DA8载有强力霉素与万古霉素,具有良好的抗菌性能,使用Tegaderm敷料的小鼠伤口在3d后出现严重的炎症反应。GT25/DA8在小鼠体内实验植入28d后几乎完全降解,具有良好的生物降解性[34]。

对于某些不可视的不可压迫性腹内出血或内脏出血,Li等[35]将CaCO3负载于Janus颗粒上制成一种运动止血器。Janus颗粒是一种独特的纳米材料,广泛应用于药物载体,其接触流体可释放气泡[36],同时Janus颗粒中添加了有高吸水性、良好降解性的微孔淀粉[37]以及具有促凝作用的氨甲环酸[38]。与液体接触后,CaCO3迅速溶解,形成气泡,与Janus颗粒共同运动促进止血。在兔肝动脉横断模型中[35],Janus颗粒止血时间最短(48±5)s,远少于MSST(载有凝血酶的MSS颗粒)组(92±6)s以及纱布/凝血酶组(147±18)s;兔股动脉横断的模型中,Janus颗粒(3.4±0.4)min止血,相比MSST组与纱布组止血最快、失血量最少、存活率最高;Janus颗粒可在不可视的情况下自运动至伤口深层止血促凝[35],但它的可移动性同时也有引发心血管栓塞的风险。

输注血小板是一种控制出血的有效方法[39]。血小板通过血小板糖膜蛋白Ibα与血管性血友病因子结合,在血管损伤部位与胶原蛋白结合促进止血[40],但血小板制品保质期短、难以长期保存且易污染[39]。Sekhon等[41]研发了基于脂质体的血小板模拟物纳米颗粒(platelet-mimicking procoagulant nanoparticles,PPN),PPN有与天然血小板相似的黏附、聚集和促凝作用,在SD大鼠肝部分切除模型中, PPN组、对照纳米颗粒组、盐水组比较显示PPN 1h失血量约5mL,其他两组6、8mL;3h生存分析中,PPN治疗的大鼠100%存活,两组对照组存活率分别为80%、60%,且在肝损伤部位免疫荧光图像显示,PPN治疗后血凝块的纤维蛋白荧光更大,凝血性能更好。尽管血小板模拟物纳米颗粒对不可压迫性出血有效,但其是否会在循环系统中导致血栓形成、免疫风险等仍需进一步研究。

4 结论与展望

在战场环境下,不可压迫性出血的快速控制是一项艰巨的挑战,对挽救可预防性出血伤员的生命有重要意义,研发针对不可压迫性出血的新型止血材料是海内外军事医疗研究的重点。了解现有止血材料的止血性能、作用方式是开发快速、形状可变、广泛适用的止血材料的先决条件。现已开发了多种针对不可压迫性出血的止血材料,包括海绵/泡沫、冷冻凝胶、血小板模拟物等新型复合止血材料,通过不同作用方式实现快速止血的目标。止血材料的研发是一个长期且困难的过程,越来越多的研究者将医学、化工、生物医学等技术相结合,取长补短来研发新型复合止血材料。

未来对不可压迫性出血的止血材料的研究仍需深入探索,同时笔者认为未来的止血材料也应关注以下几点:(1)现代战场环境复杂多变,严寒、酷暑,荒漠、高原甚至雨林等,不可压迫性出血的新型止血材料应对恶劣环境保持良好的稳定性以及止血性能;(2)不受凝血功能的影响,对凝血功能异常或有障碍的伤员同样适用;(3)对新概念武器,如燃烧弹、穿甲弹、激光武器所产生的热破坏、辐射破坏等造成的深部组织或器官损伤,可有效控制[5]。

针对不可压迫性出血的新型止血材料的研发与应用,可能为战场出血伤员提供有效的救助。随着各学科与科技的发展,对止血材料进行更深入的研究与探索,新型止血材料领域必会有长足发展。

作者贡献声明：朱赫、杨晓剑:文献检索、论文撰写及修改;侯皓中、冯天玺:论文设计、文章校对