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自推进Janus颗粒在大规模出血性穿孔和不规则伤口中的止血效果-岩拓气凝胶

自推进Janus颗粒在大规模出血性穿孔和不规则伤口中的止血效果

穿孔和不规则出血是指在复杂的和隐蔽的出血部位深处,具有外部和内部不规则伤口形状的伤口出血,对其实现的快速,安全控制,这对于降低院前治疗和手术过程中的死亡风险至关重要。现有的商业止血药,凝血作用仅发生在浅表伤口上,无法进入深部出血部位促进止血,因此无法有效控制穿孔和不规则出血。在穿孔和不规则出血的治疗中,止血剂必须在其内部的出血部位发挥其使血液凝结的能力。

为解决这一难题,西南大学的代方银教授和蓝广芊副教授团队通过在负改性微孔淀粉(MSS)上单轴生长花状碳酸钙晶体(CaCO3),制备了双相Janus自推进止血颗粒(MSS @ CaCO3)。合成的止血颗粒(MSS @ CaCO3T)装有凝血酶,由内部成分CaCO3提供动力,并与质子化氨甲环酸一起使用。这些颗粒能够逆着血流传播,使它们能够进入深处的出血部位,产生协同凝血作用,从而有效止血。相关工作以“Self-Propelling Janus Particles for Hemostasis in Perforating and Irregular Wounds with Massive Hemorrhage”为题发表在《Adv. Funct. Mater》上。

逆流而上,深度出血也能搞定!西南大学《AFM》:自推进Janus颗粒在大规模出血性穿孔和不规则伤口中的止血效果

Janus止血颗粒的设计与合成

研究人员通过在天然玉米淀粉(NS)上进行酶促水解和酯化反应来制备负修饰的微孔淀粉(MSS)。为了在MSS上合成自推进物质,单轴生长花状碳酸钙晶体(CaCO3),然后掺入质子化氨甲环酸(TXA-NH3+),使复合Janus颗粒具有自通过气泡自推进性能。此外,凝血酶的结合使这些颗粒具有出色的凝血能力。

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Janus MSS @ CaCO3T颗粒的合成及应用

Janus止血颗粒的表征

通过SEM、EDS、FTIR、XRD等多种表征方式证明了Janus MSS @ CaCO3T的成功合成, 并且Janus 颗粒中MSS和CaCO3部分的长宽比可以通过简单改变MSS和CaCl2 -Na2CO3的摩尔比进行精确控制。

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Janus止血颗粒的理化性能表征

Janus止血颗粒的自推进性能

Janus止血颗粒的自推进能力由内部CaCO3和配位的质子化氨甲环酸提供动力。置于水中后,相比于MSST,Janus颗粒产生大量气泡,并在水平方向迅速扩散。其自推进半径在8 s内约为3.5 cm。使用光学显微镜可以看出水中气泡在前8 s的产生,增长和脱离。研究人员解释了其机理:当Janus颗粒与水接触时,负载的碳酸氢钠和质子化的氨甲环酸迅速溶解,引起中和反应,形成气泡,气泡随着中和反应连续增长,然后从Janus颗粒上脱离,以达到恒定的颗粒水平速度,气泡的分离提供了反方向的驱动力。

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Janus颗粒在水平方向上的自推进行为

 

Janus颗粒在不同方向上对PBS和血液均表现出优异的自推进能力,由于重力和浮力的作用,相比于水平方向,垂直方向的自推进能力更强。值得注意的是,Janus颗粒在流动血液中仍然可以自推进进入更深部位并止血。

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Janus颗粒的自推进距离表征

 

Janus止血颗粒的体外止血能力

Janus止血颗粒可以在60秒左右凝结血液,这比纯凝血酶所需的时间短,并且显示出最高的血小板聚集数。

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Janus颗粒的体外止血能力表征

 

Janus止血颗粒的体内止血能力

使用肝和股动脉出血模型,相比于纱布,纱布/凝血酶和Celox止血材料,Janus止血颗粒对于肝动脉仅使用48秒,而对于股动脉也仅需要3.2分钟左右即可凝结血液,并且显示出最低的出血量和最高的存活率。

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Janus颗粒的肝、股动脉止血能力表征

 

Janus止血颗粒的生物相容性和降解性

通过溶血分析和L929细胞细胞毒性测试,发现Janus止血颗粒在体外几乎没有溶血和引起细胞毒性。使用兔背部皮下肌肉生物降解模型,发现14天所有止血颗粒均已降解。

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Janus颗粒的体内止血能力表征

 

总结

在这项研究中,合成了具有自推进能力的基于CaCO3/微孔淀粉的Janus止血颗粒。结果表明,所制备的Janus止血颗粒可以通过气泡分离机制自行对抗流动的血液,深入伤口部位,最终到达出血部位,并导致深部出血部位快速凝结血液。Janus止血颗粒表现出优异的止血能力;在肝和股动脉出血模型中,它分别在约50s和3min止血成功。此外,Janus止血颗粒表现出良好的生物相容性和生物降解行。总之,Janus MSS @ CaCO3T作为控制穿孔和不规则出血的有效且安全的止血剂具有巨大潜力,有望在临床外科手术中实际应用。

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