基于 Schiff 基团的交联羧甲基壳聚糖/氧化瓜尔胶@单宁酸止血水凝胶：具有温和的凝胶化特性、良好的适应性填充效果以及出色的抗感染能力

《International Journal of Biological Macromolecules》：Schiff base-crosslinked carboxymethyl chitosan/oxidized guar gum@tannic acid hemostatic hydrogel with mild gelation, adaptive filling, and infection protection

创伤止血材料研究提出新型可注射水凝胶COG@TA，通过Schiff碱反应实现动态共价键交联，具备强粘附性（8.88±1.45kPa）、自愈性、生物降解性和UV防护功能，同时兼具抗菌抗氧化特性，显著减少传统止血材料的热损伤风险，适用于不规则伤口快速止血和愈合保护。

　　

张文良|文晓璐|赵丹丹|唐琳|王欢|段久芳

北京林业大学生物能源与林业生物质材料工程研究中心，中国北京，100083

摘要

传统的止血材料往往对不规则伤口的适应性较差，组织粘附力不足，并且在自由基聚合过程中水凝胶释放的热量可能导致二次损伤，尤其是在突发性创伤出血时。为了解决这些问题，本研究开发了一种羧甲基壳聚糖/氧化瓜尔胶@单宁酸（COG@TA）水凝胶，用于组织伤口出血的管理。该水凝胶具有强组织粘附性、自愈性、生物降解性和可注射性，这些特性都是通过席夫碱反应实现的。此外，凝胶化过程较为温和，可以防止二次组织损伤。注入伤口后，水凝胶能够根据伤口形状进行适应性变形，并通过自愈作用形成致密的结构。动态交联网络由羧甲基壳聚糖的氨基和氧化瓜尔胶的醛基形成。加入单宁酸后，粘附强度显著提高（8.88 ± 1.45 kPa），同时增强了紫外线屏蔽能力，并赋予了抗菌和抗氧化功能。这些特性不仅有助于控制出血，还能保护伤口。细胞毒性测试表明，COG@TA水凝胶具有优异的生物相容性。本研究提出了一种多功能方法，能够快速止血并具有抗感染特性，具有巨大的临床应用潜力。

引言

伤口出血在日常生活和临床环境中都是普遍存在的问题。皮肤组织损伤以及手术过程中的严重出血可能导致大量失血，从而带来生命危险[1]。伤口敷料作为重要的保护屏障，可以防止外部伤害并降低并发症（包括感染）的风险。此外，它们对伤口修复和组织再生过程也有显著贡献[2]、[3]。伤口愈合过程非常复杂，通常包括止血、炎症、增生、重塑和疤痕形成等多个阶段[4]、[5]。特别是在止血阶段，过度出血可能导致缺血性休克、贫血甚至死亡。传统的止血材料（如纱布和绷带）常用于控制出血和吸收渗出物。然而，这些材料存在一些局限性，如自愈性不足、生物降解性差导致粘附问题、抗菌活性不足，以及无法为伤口愈合创造最佳环境。这些缺点可能导致愈合延迟，甚至在某些情况下引发伤口感染和炎症[6]。

作为一种先进的现代伤口敷料，水凝胶具有良好的膨胀性和透气性[7]。其独特的亲水三维网络结构使其具有出色的液体吸收性能，能够有效吸收并锁住伤口渗出物，同时提供适宜的湿润微环境[8]。水凝胶敷料在伤口护理中显示出显著的优势，包括良好的组织相容性、生物降解性、优异的机械强度和适当的微观结构[9]、[10]。目前，一些研究通过使用单体（如丙烯酰胺）在交联剂和引发剂的存在下合成了原位聚合的水凝胶[11]、[12]、[13]，但大多数这类水凝胶是非生物正交的，可能对伤口愈合产生不利影响。同时，这些水凝胶会含有未反应的单体、引发剂、交联剂和其他有毒物质。自由基引发的聚合反应通常伴随着大量热量的释放[14]，这可能对受伤的伤口造成二次损伤。这些因素限制了这种类型的水凝胶敷料在临床实践中的实际应用。因此，天然聚合物水凝胶近年来成为研究重点。Yu等人[15]开发了一种顺序交联的纤维蛋白凝胶（SCFG），具有超快的凝胶化速度、强的粘附性能和优异的生物相容性。然而，它不适合用于不规则和不可压缩伤口的止血。为了解决这个问题，许多研究表明可注射水凝胶可以提供解决方案。

现有研究表明，动态共价键（如二硫键、亚胺键、硼酸酯键和酰腙键）可以使水凝胶具备自愈性和可注射性。这些特性使它们适用于不规则和不可压缩伤口的止血[16]。其中，席夫碱反应作为一种重要的交联方法，已被广泛用于可注射水凝胶的制备，特别是在生物医学领域的新材料开发中[17]、[18]。该反应通过醛基和伯胺基之间的相互作用形成亚胺键。这种类型的水凝胶可以在适当的温度和pH值下快速形成，反应后水凝胶中不会残留有害物质[19]。席夫碱键在水中不稳定，这使得席夫碱交联的水凝胶具有良好的降解性，可以在伤口止血后短时间内降解[20]。Sun等人[21]开发了一种使用硼酸酯键和席夫碱键的PDSR水凝胶，赋予了其优异的抗菌性能。然而，其较差的粘附性能（5.2 kPa）使其难以粘附在伤口表面，限制了其临床应用。

壳聚糖由于其优异的生物相容性而在生物医学领域受到了广泛关注。作为唯一的天然阳离子多糖，它已成功应用于药物输送、组织工程等领域[22]。壳聚糖是一种氨基多糖，是几丁质的脱乙酰衍生物，是最丰富的可再生、无毒、可生物降解的碳水化合物聚合物之一，可以从甲壳类动物[23]、真菌[24]和昆虫[25]的外骨骼中大量提取。基于壳聚糖的水凝胶在生物医学应用中具有广泛的前景，因为它们具有出色的生物降解性、抗菌性能[26]和持续的药物释放能力[27]、[28]。然而，壳聚糖的水溶性较差，限制了其实际应用。为了解决这个问题，研究人员开发了羧甲基壳聚糖（CMC），它不仅保留了壳聚糖的优异特性，还在广泛的pH范围内具有优异的溶解性[29]。瓜尔胶（GG）是一种非离子天然多糖，由线性β-(1–4)-连接的甘露糖和α-(1–6)-连接的半乳糖以2:1的比例组成[30]。GG分子链含有丰富的邻位羟基，可以通过过氧化钠氧化成氧化瓜尔胶（OGG）。醛基和氨基可以通过席夫碱反应形成动态亚胺键。单宁酸（TA）是一种植物来源的多酚化合物，由于其独特的分子结构而具有多种生物活性，在生物医学应用中具有巨大潜力。近年来，TA因其在修饰多糖水凝胶中的作用而受到广泛关注。作为二次交联网络，TA可以显著增强水凝胶的粘附强度。更重要的是，TA的多酚结构可以特异性结合细菌细胞壁蛋白，破坏微生物膜的完整性，从而赋予优异的抗菌性能。此外，TA的可还原多酚结构能够有效清除自由基[31]、[32]。这些优异的特性扩展了TA在伤口愈合应用中的潜力。

在本研究中，我们通过过氧化钠氧化方法制备了OGG，并开发了一种由TA增强的OGG和CMC通过席夫碱键连接而成的动态交联水凝胶。系统研究了TA对CMC/OGG席夫碱网络凝胶化时间和粘附性能的影响，以及其pH依赖性的释放行为和体外降解动力学。值得注意的是，该水凝胶在相应的检测中表现出优异的抗菌活性、抗氧化能力和止血性能。我们开发了一种COG@TA水凝胶，集成了可注射性、抗菌性、抗氧化性、止血性、pH响应性释放和组织粘附性。此外，COG@TA水凝胶还表现出出色的紫外线屏蔽性能，为伤口组织提供了可靠的防护。简单的凝胶制备过程和多种特性的结合表明其在伤口止血敷料材料中的应用前景广阔。

实验材料

瓜尔胶（分子量=50-800 kDa，粘度≥4000 mPa·s，AR）购自上海宇源生物科技有限公司。羧甲基壳聚糖（分子量=240 kDa，取代度≥90%，脱乙酰度≥90%，Macklin，中国），单宁酸（98%，Macklin，中国），过氧化钠（NaIO₄，99.5%，Macklin，中国），乙二醇（C₂H₆O₂，99%，Macklin，中国）。小鼠的全血购自平瑞生物科技有限公司（郑州，中国）。使用的Sprague–Dawley（雄性，220–240 g）大鼠

COG@TA水凝胶的合成

如图1a所示，本研究使用过氧化钠氧化法选择性地将瓜尔胶（GG）分子中的邻位羟基氧化为醛基（如图S1所示，OGG的FTIR光谱在1740 cm^?1处有明显的吸收峰）。通过OGG的醛基与CMC的氨基之间的席夫碱动态共价键实现交联，然后引入TA最终制备出COG@TA水凝胶。如图1所示

结论

总结来说，我们开发了一种新型的可注射自愈COG@TA水凝胶。其可注射性和温和的凝胶化过程使其适用于临床注射过程中的原位凝胶化。自愈性和形状适应性强的COG@TA水凝胶可以注入不规则伤口，保持湿润环境的同时有效吸收伤口渗出物。加入单宁酸后，它具备了适当的粘附强度（8.88 ± 1.45 kPa）、紫外线屏蔽、抗菌和抗氧化性能。

作者贡献声明

张文良：撰写——原始草稿，方法学，数据管理。文晓璐：研究，数据管理。赵丹丹：研究，正式分析。唐琳：方法学，数据管理，概念化。王欢：方法学，研究，数据管理。段久芳：资源获取，研究，资金申请。

伦理声明

所有动物实验均获得了北京林业大学动物伦理委员会的批准，并按照中国实验室动物护理标准进行。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中央高校基本科研业务费（2025ZLXD04/PTYX202552）、国家自然科学基金（22578035）和国家重点研发计划（2022YFD2200804-4）的财政支持。