一种可注射的CMCS/ODEX/TA/HNTs水凝胶敷料，具有出色的止血、抗氧化和抗菌性能

《European Polymer Journal》：An injectable CMCS/ODEX/TA/HNTs hydrogel dressing with excellent hemostatic, antioxidant, and antibacterial properties

本研究开发了一种新型可注射水凝胶敷料CMCS/ODEX/TA/HNTs，通过快速Schiff碱反应实现现场凝胶化，结合TA的抗氧化和抗菌特性以及HNTs的增强止血效果，显著提升止血、抗氧化和抗菌性能，适用于复杂伤口和紧急情况。

　　

李海雪|闫梦|尹丽莎|张丽翠|李东梅|刘志勇|李芳玲|邱忠鹏|崔琳

新疆石河子大学医学院，新疆832003，中国

摘要

传统的伤口敷料经常存在诸如与不规则伤口表面粘附性不足、容易引起二次组织损伤以及多功能性有限等问题，这在临床实践中带来了重大挑战。本研究介绍了一种新型的可注射水凝胶敷料（CMCS/ODEX/TA/HNTs），该敷料结合了多种机制，从而具备了优异的止血、抗氧化和抗菌性能。

CMCS和ODEX通过快速的Schiff碱反应形成可逆的三维网络。注射后，这些材料可以在原位迅速凝胶化，适应性地填充复杂伤口的腔隙。TA作为一种多功能交联剂，通过强健的氢键和共价相互作用显著增强了水凝胶的机械强度、自愈能力和广谱抗菌活性。其中，加入的埃洛石纳米管（HNTs）是这一改进的关键因素。由于HNTs在水相和聚合物基质中都具有优异的分散性，并且具有独特的管状结构和高比表面积，它们不仅改善了组织粘附性和机械完整性，还促进了血小板聚集，促进了生物活性因子的持续释放，并显著增强了止血效果。

在大鼠尾部切断模型和肝脏损伤模型中的体内实验表明，CMCS/ODEX/TA/HNTs水凝胶的止血效果优于市售止血海绵。体外研究显示了其显著的抗菌能力，动物实验进一步验证了其比传统海绵更优的止血性能。这种结合了抗菌、抗氧化和高效止血特性的多功能材料为伤口感染管理提供了有前景的解决方案。尤其适用于紧急情况，该水凝胶在临床应用方面具有巨大潜力。

引言

目前，出血是一个重要的医学问题，引起了广泛关注。过度失血可能导致严重并发症，包括低体温、器官衰竭和休克[1]、[2]。因此，在紧急情况下——特别是在自然灾害、交通事故和战争期间[3]、[4]——快速有效的止血至关重要[5]。在处理人类创伤时，过度出血、感染风险[6]和氧化应激成为阻碍伤口快速愈合的三大主要挑战。传统的伤口护理材料在止血、抗菌或抗氧化性能方面常常存在局限性，难以同时满足复杂伤口环境的多方面需求[7]。一些市售的止血产品，如海绵片和粉末状止血剂被广泛使用[8]；然而，当应用于不规则或深度穿透的伤口时，其效果会减弱，可能导致止血不完全。此外，暴露的伤口增加了细菌感染的风险，从而复杂化了后续治疗。

为了解决传统敷料的局限性，目前关于止血和抗菌敷料的研究正迅速朝着多功能性、智能响应性和结构适应性方向发展[9]。

在止血敷料领域，研究人员致力于开发能够快速启动凝血级联反应、促进血小板聚集并有效吸收渗出物的新型材料[10]。来自天然聚合物（如壳聚糖、海藻酸盐和纤维素）的改性材料因其优异的生物相容性和生物降解性而受到关注。通过化学修饰引入活性基团（如醛基）可以改善它们与血液成分的相互作用，加速凝血过程[11]。此外，纳米材料的加入已成为提高止血效率的关键策略。例如，纳米颗粒和纳米纤维由于其大的比表面积和独特的形态，能够有效吸附血浆蛋白并促进血小板聚集和活化，从而显著缩短凝血时间[12]。智能响应型水凝胶显示出巨大潜力，因为它们在接触血液时可以迅速凝胶化。这一过程不仅形成了物理屏障，还促进了促凝因子的同时释放，从而实现了原位快速止血。

在抗菌敷料领域，日益严重的细菌耐药性问题[13]凸显了开发广谱、高效且低毒性的新型抗菌剂和策略的必要性。除了传统抗生素外，天然抗菌剂（如多酚化合物和抗菌肽）以及金属纳米颗粒（如银和铜）也成为重要的研究焦点[14]。这些材料通过破坏细菌细胞膜、抑制代谢过程或干扰生物膜形成来发挥抗菌作用[15]。此外，将抗菌性能与止血或伤口修复功能结合，以创建多功能敷料，已被证明是提高伤口管理和降低感染风险的有效策略。

近年来，结合多种功能（包括止血、抗菌和抗氧化）的复合水凝胶因其在复杂伤口愈合中的独特优势而受到广泛关注。这些材料通常通过创新的结构设计和组分的协同效应实现对伤口微环境的智能调节。例如，可注射水凝胶可以无缝适应不规则的伤口形状，从而减少二次损伤[16]。动态交联网络赋予材料出色的自愈能力和机械强度，使其能够在复杂运动环境中承受压力。此外，加入抗氧化成分可以有效消除伤口部位的活性氧自由基，减轻炎症反应，并促进组织再生[17]。

埃洛石纳米管（HNTs）是一种天然存在的层状硅酸盐矿物[18]，具有独特的管状结构和高比表面积[19]。它通过与血小板和凝血因子的相互作用显著增强凝血过程[20]、[21]、[22]。HNTs的内腔和表面富含羟基，可以与TA中的酚羟基发生氢键作用，从而促进TA的吸附。这种吸附作用将TA物理限制在水凝胶网络内，延缓了TA从水凝胶基质的扩散，实现了TA的持续释放[23]。需要强调的是，HNTs在水和聚合物基质中都具有优异的分散性，这是开发结构均匀且性能稳定的复合水凝胶的关键特性[24]。这一特性确保了组分之间的有效协同作用。壳聚糖（CS）以其良好的生物相容性和抗菌性能而闻名；然而，其有限的水溶性限制了其实际应用。氨基的存在促进了与血小板表面的静电相互作用，从而促进了血小板聚集并激活了凝血因子，加快了凝血过程[25]。相比之下，羧甲基壳聚糖（CMCS）在保持止血[25]和抗菌性能的同时，还表现出改进的亲水性[26]、[27]。氧化葡聚糖（ODEX）中的醛基与CMCS中的氨基通过Schiff碱反应反应，从而增强了生成水凝胶的机械强度和凝胶化能力。单宁酸（TA）是一种天然多酚，通过蛋白质交联促进血液凝固，并具有抗氧化和抗炎作用[28]、[29]。

本研究成功开发了一种具有快速原位凝胶化、适应性粘附以及结合止血和抗菌性能的止血水凝胶。该水凝胶由氧化葡聚糖（ODEX）和羧甲基壳聚糖（CMCS）组成。在生理条件下，ODEX中的醛基与CMCS中的氨基通过Schiff碱反应，形成动态亚胺键，从而在注射后迅速原位凝胶化，并使水凝胶能够适应各种受伤的口腔腔隙。引入的多功能交联剂单宁酸（TA）形成了一个以强健的氢键和动态共价相互作用为特征的协同网络，显著增强了水凝胶的机械强度和自愈能力。此外，加入的埃洛石纳米管（HNTs）通过促进血小板聚集提高了材料的粘附性和止血效果。因此，这种材料为极端和复杂条件下的出血伤口提供了创新的解决方案，展示了实际应用和转化的巨大潜力。

材料

过碘酸钠（NaIO₄）、盐酸羟胺、无菌去纤维化羊血、胰蛋白胨、酵母提取物粉、琼脂粉和氯化钠均购自Macklin生化技术有限公司（上海）。葡聚糖（DEX）、乙二醇、壳聚糖（CS）、醋酸、丙酮、氢氧化钠（NaOH）、异丙醇、氯乙酸、甲醇、单宁酸（TA）、甲基橙、磷酸盐缓冲液（PBS）、盐酸（HCl）和透析袋（MWCO = 3500 Da）也均购自相关供应商。

水凝胶的合成与表征

为了制备可注射止血水凝胶，首先对壳聚糖（CS）进行羧甲基化处理以获得CMCS。CMCS不仅保留了壳聚糖的生物相容性和抗菌性能，还显著提高了水溶性，其分子链富含氨基[30]。如图2a所示，CS和CMCS的红外光谱显示在1598 cm?¹处出现一个新的吸收峰，属于–COO?基团的伸缩振动，表明羧甲基化成功进行。

结论

利用CMCS、ODEX、TA和HNTs成功开发了一种多功能可注射复合水凝胶。该水凝胶表现出卓越的整体性能，具有改进的止血、抗氧化、抗菌、生物相容性和伤口愈合性能。通过Schiff碱反应在原位交联，该水凝胶能够迅速止住常规和深层不可压缩伤口的出血。

作者贡献声明

李海雪：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。闫梦：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。尹丽莎：验证、实验研究。张丽翠：监督、实验研究。李东梅：可视化、实验研究。刘志勇：

利益冲突声明

作者声明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

本工作得到了中国国家自然科学基金（82060646）、中国国家自然科学基金（项目编号32460038）、新疆引导性科技计划（2024ZD022）以及石河子大学第一附属医院科研项目（项目名称：Forsythin负载脂质体的制备及其在伤口愈合中的疗效和机制，项目编号LC2025018）的资助。