天然生物基水凝胶在快速止血医用敷料上的研究进展*

皮思豪,王自瑶,谢 琛,陈 勇,郑 敏,王 彩

(湖北科技学院医学部生物医学工程与医学影像学院,湖北 咸宁 437100)

止血材料一直是国内外科研人员研究的重点,常用的止血材料有纱布、止血海绵、绷带和水凝胶,目前在临床上或生活中主要用于局部止血和少量止血。止血材料本身的优异性能对伤者的生命健康安全具有重要意义。传统止血材料在止血过程中容易发生细菌滋生,更换时伤口与材料粘连,造成二次损伤的情况,而水凝胶作为一种生物相容性较好,可降解特性的湿润止血材料,能在创面湿润的环境下快速止血、缓慢释放生物活性物质,促进伤口愈合、极大程度降低感染率。本文综述了天然生物基水凝胶在快速止血方面的研究进展。

1 水凝胶概述

水凝胶高分子亲水性材料是伤口创面和外部环境之间的理想屏障,具有非粘附性、延展性及良好的生物组织相容性,可通过物理或者化学交联的作用,形成三维网状结构,为创面提供湿润环境,常和天然生物基材料交联促进凝血、胶原蛋白合成和细胞组织再生,作为新兴的功能性创面敷料被广泛应用于临床。

相较于传统敷料的纱布和绷带,水凝胶敷料可以快速止血和促进凝血,并且部分天然生物基水凝胶在体内可以快速并且几乎完全降解,避免了对创面新生上皮细胞的破坏,减轻患者疼痛,较大程度上促进了伤口的痊愈。除传统敷料以外,从止血材料的材质上看,软膏类、药用类敷料与水凝胶敷料在药物缓释、促伤口愈合、止痛止血方面同样优异,但是水凝胶敷料可以创造独特的伤口湿润环境促进其愈合,在与各种天然生物基交联时还具有生物相容性和安全性高等特点。目前,在医用领域止血方面,天然生物基水凝胶的快速止血材料性能优异,备受广大研究者的关注并且在临床广泛应用。

2 止血机制

正常的生理性止血首先是血管收缩,当皮肤出血量不大时,受损皮肤周围的平滑肌受到刺激就会发生应激反应,使血管收缩,血流速度减慢,从而达到止血效果,同时还有血小板凝集,机体出血时血浆中的各种凝血因子被激活,凝血系统协同作用形成凝血酶,最后在伤口处形成纤维蛋白而止血。而止血材料可以参与凝血系统,加速凝血级联反应的发生,从而达到更有效止血效果[1]。

天然生物基水凝胶止血材料覆盖于出血部位表面时,快速填充和适应不规则伤口,形成湿润止血屏障,以阻止血液和细胞的渗出,与水凝胶交联的各种生物基则可以通过激活凝血因子,使血小板粘附聚集,快速形成血栓,来达到显著的止血效果。临床代表性止血产品有纤维蛋白胶,除此之外,还有部分天然生物基止血材料,它可吸收出血部位的水分和渗出液,使细胞和蛋白质凝集形成血块对伤口进行快速止血。水凝胶材料主要通过物理阻挡进行快速止血,所以对水凝胶材料的要求是能快速转化为凝胶、拥有较强的力学性能和粘附性,才能稳定长效的作用于出血部位,利用自身湿性创面治疗的特性为伤口快速止血和促进愈合。

3 天然生物基止血敷料

3.1 透明质酸基敷料

透明质酸(HA)又名玻璃酸、玻尿酸,是一种存在于哺乳动物细胞外基质的糖胺聚糖,可控制一些细胞的分化和参与部分细胞的生理活动,起到对器官滋养、调控炎症、修复皮肤创面的作用,免疫原性低,生物相容性和体内降解良好,能快速止血、促进伤口快速愈合和新血管的形成,在止血材料方面应用广泛[2],尤其对于动脉活动性出血和实质性脏器广泛渗血,十分考验止血材料的快速止血能力和组织密封性。

注射水凝胶的止血能力取决于其伤口组织封闭能力,不仅与材料的凝胶时间有关,还与力学性能及水凝胶各组分的结合强度有关。Luo等[3]采用原位化学交联法制备了具有组织封闭能力的明胶(G)/透明质酸(HA)可注射水凝胶,在犬的小肠顶破强度测定实验中,单一的自交联明胶(sc-G)相较于常用的创面密封剂纤维蛋白胶拥有更为可观的顶破强度,透明质酸的加入缩短了材料在伤口处凝胶化的时间,增加了快速吸收血液的能力,并且进一步加强G/HA水凝胶的破裂强度,该强度可达到纤维蛋白胶的5.5倍。在大鼠肝脏面出血前3分钟止血效果和纤维蛋白胶效果相近。

透明质酸虽然生物相容性和止血性优异,但其机械性能和粘附性欠佳,单一止血性难以发挥,所以,不少研究实验将透明质酸水凝胶和其他有机材料交联,增强其与伤口组织的粘附和快速止血的稳定性,且能促进伤口愈合。在海洋自然生态环境中,类似贻贝、藤壶这种依赖在岩石上生存的生物,在海浪的不断冲刷下仍然牢固地附着在上面,原因在于它们能够在岩石的接触面分泌具有湿粘性的多巴胺[4]或者是非儿茶酚芳香族残留物[5]。Wang等[6]由此得到启发,将多巴胺盐酸盐和氧化邻苯二酚基团接枝到透明质酸上,以辣根过氧化物酶(HRP)和过氧化氢(H2O2)为交联剂制备了水凝胶,研究发现,水凝胶的机械强度取决于邻苯二酚的氧化程度,而水凝胶的粘附性取决于透明质酸与皮肤表面的相互作用,高浓度的过氧化物酶和过氧化氢会导致更强效果的邻苯二酚氧化交联、多巴胺的氧化偶联,从而使水凝胶拥有更强机械性能和粘附强度,而这正是该水凝胶能快速止血的关键因素。在大鼠肝缺损动物模型实验中,穿刺处理后未覆盖水凝胶的肝脏20min失血量为70mg,而用水凝胶处理后的肝脏在6s内完全止血,总失血量为18mg,凝胶化和止血速度极快,在大鼠腿动脉失血模型中又测定了透明质酸水凝胶的顶破强度,20min后交联剂浓度高的透明质酸水凝胶几乎没有血液渗出。再结合透明质酸本身优异的生物相容性和可降解能力,可以得出该水凝胶可能具有成为临床快速止血粘合剂并替代手术缝合线的潜力。

透明质酸与细胞调节有很强的相关性,对创面伤口还具有润滑作用,能在术后有效抑制患者创面瘢痕的粘连,而且在细胞迁移和增殖、伤口愈合、血管生成和细胞间质构建等方面也有很重要的应用[7],同时拥有减少创面炎症反应、促进新血管形成、促进成纤维细胞增殖等多方面的优点。虽然透明质酸材料本身具有机械性能和粘附性差及生物半衰期短等缺点,在一定程度上限制了其在生物医药领域的发展。但是,通过物理交联和化学修饰等方法可以将透明质酸和一些例如纳米纤维素、多巴胺增加透明质酸稳定性和粘附性的物质结合制成水凝胶,改进其短板,并且维持透明质酸基水凝胶在止血方面生物相容性好、吸湿性好、易降解的优良特性。在不断优化改进下,透明质酸基水凝胶在快速止血医用敷料方面将会得到更加全面的进步和广泛的应用。

3.2 海藻酸盐基敷料

海藻酸盐(SA)是一种天然海洋多糖,是由海洋藻类等植物中的类纤维素多糖组成,具有良好的生物相容性和凝胶性,价廉易得,有很强的亲水性、低免疫原性以及一定的生物惰性,可以为创面制造利于愈合的湿性环境,处理严重渗出的深层次创面。基于这些良好的特性,海藻酸盐已经成为非常重要的生物医药材料。近年来,海藻酸盐的表征和制作方法越来越多样化,包括热响应、酶交联制备水凝胶、薄膜、纳米纤维微球和复合多孔支架等,海藻酸盐基材料也已经广泛用于药物递送、软骨组织、皮肤的修复和再生、人体组织的替代3D、生物打印和伤口敷料等方面[8]。

海藻酸盐单体单元结构中的-OH和-COOH均可以作为活性位点,通过物理或化学反应修饰引入更多的活性基团或侧链分子,从而对海藻酸钠的结构进行修饰,或通过静电作用将活性物质包埋到海藻酸盐内部,对动脉急性出血或大出血的患者尽早实施动脉栓塞,降低死亡率[9]。微创经导管栓塞术是介入放射学中的一种常见的非手术治疗方式,用于治疗损伤和病变的血管或配有化疗药物进行区域化疗和血管栓塞治疗肝癌等恶性肿瘤疾病[10]。不同于传统的金属微线圈和液态栓塞剂,Fan等[11]研发了一种具有智能监视效果的不透光液态金属/海藻酸钙(LM/CA)水凝胶,可快速原位凝胶化,作为稳定的栓塞剂堵住血管,阻止肿瘤周围血液流出,阻断氧气和营养物质的运输,这得益于海藻酸钙优异的止血性能和吸湿性。另一方面,LM/CA水凝胶栓塞后不会与生物组织发生化学反应,并且海藻酸钙基水凝胶粘附性不高,不会与血管发生粘连,损伤血管壁,海藻酸盐降解产物也为人体体内循环物质,能快速方便的将治疗药物运送到血管,帮助止血和达到其他治疗效果。

海藻酸盐水凝胶止血材料形状不固定,高柔韧性的特点也让它的止血优势进一步扩大,大多数网状、薄膜状止血材料不适用于任意形状或深度的伤口,只局限于部分浅层次伤口的止血及护理。临床上已经广泛应用注射针头进行组织穿刺,穿刺过程常伴有出血,对于儿童和内脏大量出血的患者感染和休克的风险性较大。另外,对于患有血友病等凝血功能障碍疾病的患者,组织穿刺无疑使严重出血的风险进一步加大,极大阻碍了疾病的诊断和治疗。Ren等[12]研究设计了Ca2+交联的海藻酸钠水凝胶涂覆在注射针头表面,在正常健康动物模型的静脉血管和内脏组织的穿刺过程中,止血过程同步进行,并且在不影响组织功能正常生理功能和伤口愈合的情况下逐渐解离,没有血栓形成和器官损害的发生。为了证明该注射水凝胶能预防凝血功能障碍患者的穿刺出血,实验采用华法林抗凝剂给药大鼠,在大鼠凝血功能明显下降后对小鼠进行多次静脉穿刺和内脏穿刺,与正常大鼠相比,给华法林抗凝剂的大鼠裸针导致出血量更多,而海藻酸钙注射水凝胶包覆的针头能显著降低凝血功能障碍小鼠的出血。实验研究表明水凝胶包覆针能有效预防穿刺部位的出血,且该水凝胶可以适应填充深、不规则的伤口,有效解决了患者的疼痛和疤痕,但是还需要更多的临床研究去证实它是否有长期稳定的安全有效。

研究表明,海藻酸盐基止血材料具有透气性良好、促进组织生长和减少患者疼痛等优点[13]。在临床颇具挑战性的糖尿病足溃疡治疗中也有着促细胞增殖、迁移和新血管生成的潜能[14],不仅减少皮肤炎症反应,也降低了创面感染风险,这都得益于海藻酸盐材料自身优异的溶胀性能和湿性创面愈合理论。海藻酸盐基水凝胶止血敷料已经被越来越多地应用于临床治疗和外科手术的术后止血[15]。

3.3 壳聚糖基敷料

壳聚糖(cs)是一种天然的,自然界中唯一的带正电荷的碱性多糖,是从虾、蟹等海洋节肢动物的外壳中提取的甲壳素经脱乙酰化后形成的高分子物质。壳聚糖无毒、无异味、可生物降解,具有良好的生物粘附性、生物相容性、抑菌性、促愈合、抑制瘢痕生成等优点[16],可作为一种良好的局部止血材料应用于临床和日常生活中。壳聚糖的止血机制目前还没有权威的定论,部分研究者认为是壳聚糖的高正电荷可以刺激血小板活化促进凝集,纤维蛋白原吸附和红细胞粘附,正是这种特点使壳聚糖基材料在减少创面渗出、快速止血方面的性能尤为突出[17]。壳聚糖具备优秀的透氧能力和高孔隙率,允许氧气渗透和液体交换,可以吸收多余的引流物来加速伤口止血[18]。这些优良的生物特性也表明其在生物医学敷料和组织工程应用中具备良好的潜力。

由于存在强烈的分子内和分子间氢键,壳聚糖不溶于水和绝大部分有机溶剂,限制了其在聚合物中的应用。所以,壳聚糖和其他医用材料复合改性制备多功能性的医用敷料具有极高的研究价值[19]。在关于无机医用材料方面,常用的无机止血材料有二氧化硅、钙离子、锌离子、磷离子、高岭土、纳米银[20]等,其止血机制暂时被认为是Ca2+、Zn2+等离子在启动凝血级联反应中起到重要作用,通常用作止血控制剂。Sundaram等[21]研制了一种可注射的聚丙烯酸和钙包埋的壳聚糖基水凝胶复合水凝胶用于快速止血。在大鼠肝脏和股动脉出血实验中,该复合水凝胶能快速稳定吸收血液形成凝块,与商用纤维蛋白密封胶相比出血量更少,止血时间更短。主要因为该实验制备的壳聚糖基水凝胶具有更好的粘性和止血性能,能在不受压迫的情况下依然能固定在出血部位,然后Ca2+和壳聚糖激活凝血级联,血小板凝集快速止血。

对于枪伤、刀伤等不规则的伤口,普通的敷料显然不足以解决这种复杂的出血情况,不仅止血效果中等,而且止血功能单一,无法有效促进创面愈合和抗创面感染。Yao等[22]将季铵化壳聚糖(QCS)与介孔生物活性玻璃(MBG)混合制备出形状记忆冻凝胶,其中MBG能激活人体内源性凝血,赋予冷冻凝胶促进伤口愈合的功能,QCS在抗菌的同时,通过静电作用吸附血细胞,促进红细胞聚集和血栓的形成,该敷料具有高度互连的大孔结构,力学性能良好,能快速有效地控制尖锐物体造成的深度和不可压缩的伤口大出血,与市售明胶海绵相比,QSC/MBG冷冻凝胶对肝点刺损伤模型和肝不可压性出血模型都具有良好的止血效果。对于临床上大量出血风险的手术,市面上出售的动脉性出血止血材料还未达到理想的临床效果。Fang等[23]研究制备了一种儿茶酚功能化壳聚糖与二苯甲醛聚乙二醇通过化学反应形成的具有自收缩特性的新型注射水凝胶,这种水凝胶不仅在湿性组织创面依然保持很强的粘附性,在盐水环境下还有特殊的自我收缩特性,在达到快速止血同时,能有效控制长期止血和促进伤口闭合和修复,在健康动物模型穿刺实验中,该壳聚糖基水凝胶能在动脉血压下依旧能保持较强的粘附性和止血效果,实现了水凝胶在动脉血压下保持有效、稳定止血的挑战,在临床肝脏、心脏等出血风险较大的手术中具有良好的应用前景。

壳聚糖是一种优异的天然止血材料,不仅是止血效果良好,而且在抗菌和促进伤口愈合方面也具有优势,不同的止血机制材料和壳聚糖混合充分发挥了各自的优势,如:加快伤口止血速度,减少伤口出血量和渗出液。基于这些特性,壳聚糖基水凝胶可用于肝脏手术中的快速止血和防止低压出血等情况,还可以应用在微创手术、骨盆创伤、肺损伤、内脏粘合、心脏外表面和外侧出血等方面[24],较于止血纱布和止血胶带更加方便、稳定,止血性能也更加优异。壳聚糖基水凝胶一直在被学者研究和关注,虽然专利和阶段性研究众多,但能作为第三类医疗器械的产品少之又少,壳聚糖基止血材料还需要进一步的深入研究和持续化改进。

3.4 纤维素基敷料

纤维素是自然界最丰富的可再生资源,多由植物和细菌产生,具有良好的吸水性能、环境友好性和生物相容性,通过分子结构中的羧基与血液中血红蛋白铁离子相结合,进而激活凝血因子促进凝血,同时可促进血液中血小板的粘附,增强止血效果[25]。纤维素类止血材料通常具有棉纱的外观纹理及柔软、薄的特性,为符合出血部位的位置要求,可以方便修剪成任意形状,易与出血部位充分接触,方便包裹和填充伤口,从而提高止血效果,达到快速止血的目的,常被用于外科伤口和出血不易停止的身体组织,例如肝外伤出血[26]、神经外科出血[27]。

目前为止,纤维素类止血材料在市场中份额比重最大,主要是各种可吸收纱布、止血海绵类产品,不少学者也一直在致力研究和改进氧化纤维素基止血材料。外科手术和临床上使用的可溶性止血纱布是一种再生氧化纤维纱块,类属于羧甲基纤维素止血材料。涂抹在组织创面后,氧化再生纤维素在伤口接触位置溶解,伤口表面的出血逐渐减少、停止,变成胶体,纤维素纱布止血局限性得以改观,并且处理了因长期治疗导致材料和创面发生粘黏对患者伤口造成二次损害。Liu等[28]将胺化银纳米颗粒(Ag)和明胶(G)引入羧基化纤维素纳米纤维(CNF)中,设计了一种绿色纳米复合纤维素基水凝胶。在体外凝血试验中,CNF/G/Ag水凝胶由于明胶可以增加血细胞数目、促进血小板凝集,羧基化纤维素能吸血快速膨胀,增加与血液的接触面积以及水凝胶的多孔结构和非粘附性,从而展现出较强血凝作用的同时也不会与创面组织发生粘连造成二次损伤,体内外伤口愈合研究也表明这种多组分复合纤维素基水凝胶拥有良好的生物相容性和抗菌效果,在临床创面止血、绿色安全敷料发展方面具有很大的潜力和推广价值。

纤维素止血材料使用方便,极易附着在不规则出血面,且在器械、手套等医用器械表面无黏附,常被用在出血量较大的手术中。氧化纤维素作为天然纤维素改性制得的止血材料,拥有可被生物体内物质降解吸收、不会引发病毒性疾病等优点,是被广泛应用的临床快速止血材料之一。俞文峰等[29]就将可吸收再生氧化纤维素应用在胸腔镜辅助肺癌切除术中观察其止血效果,研究发现,在除去患者个人因素以及手术解剖因素的前提下,在胸腔镜辅助肺癌切除术中使用可吸收纤维素止血材料的患者没有出现明显的并发症状,且在患者术后第一个24h内引流量和总引流量均达到了满意的临床效果,拔管时间短,围术期引流量减少,有效缩短了患者的康复时间。虽然氧化纤维素在临床已经广泛使用且具有良好的止血效果,但是仍然有记录显示氧化纤维素止血材料在用于神经组织和心脏等敏感组织时造成了瘫痪,神经组织、心肌组织受损的情况[30]。这主要是由于氧化纤维素自身吸血膨胀或者是酸性活性物质激活凝血物质,加速了血栓的形成[31]。不过,解决此类问题可以通过与其他材料结合中和酸性或者是在氧化纤维素表面进行涂层处理,缓解氧化纤维素基止血材料低pH止血环境造成的细胞毒性大的问题[32],但是目前还没实现在临床的应用。

纤维素基的止血材料很早就被引用到外科手术中使用,具有良好的抗感染性,在体内可降解,无细胞毒性。目前的止血机制还未确定,但有一部分说法是纤维素可通过激活血液系统中的凝血因子促进血液凝固和使血小板相互粘着形成凝血块或者血栓达到物理止血,从而达到双重止血的效果[33],与水凝胶发生交联还会增强其机械性能,形成强而稳定的交联相互作用,不仅有利于伤口的快速止血,还对创面组织起到保护作用,促进其快速愈合。相较其他止血材料,纤维素基在局部止血速度上具有明显的止血优势,已经成为临床手术中值得信赖的伤口止血材料,应用前景广阔。

4 结论与展望

本综述通过对海藻酸钠、透明质酸、壳聚糖、纤维素这几种天然水凝胶高分子材料的介绍,表明了不同天然生物基水凝胶在止血方面的机制和显著的止血效果。由于水凝胶特有的三维网络结构使得它可以蕴含大量水分,对创面渗出液的吸收和生物因子的保留具有一定优势,被视为一种很有潜力的新型材料用于伤口敷料,是手术中的组织粘合剂和手术伤口的止血药物储存库。天然高分子材料又由于自身良好的生物相容性、无毒性、可降解性、本身廉价易得等诸多优势备受研究人员关注。水凝胶在广受学者青睐的同时也有值得注意和改进的地方,随着越来越多的天然基水凝胶被发掘,水凝胶的安全性和自身品质同样不可忽略,部分化学交联的水凝胶在药物缓释和创面修复的过程中会有化学残留,对机体造成毒害,所以水凝胶的质量检测和临床试验需要严格把关。近年来,天然水凝胶止血材料已成为快速止血材料领域研究的焦点,在临床术中止血的应用广泛,本文对目前常用的天然水凝胶材料在快速止血方面的研究进展进行综述,希望为研发出血创面的止血材料提供一些思路与参考。