《AM》中山大學吳丁財團隊：多功能納米交聯劑增強可注射水凝膠實現創傷快速止血與高效修復

無法控制的創傷性出血常并發感染與愈合不良，占創傷相關性死亡原因的30%以上。對于涉及脆弱器官、深部傷口或骨缺損的嚴重創傷，傳統止血方法和商用止血材料因需施加外力且生物功能性不足（如抗菌、抗炎、促修復等），難以兼顧快速止血與高效修復。尤其在醫療資源匱乏環境中，延遲送醫可致感染率高達63.2%，加劇嚴重并發癥風險。具有多重鍵合網絡的可注射水凝膠可通過流動性與原位凝膠化自適應封堵創面，是高效止血的有力候選。近年來，聚乙二醇衍生物、鈣離子、Pluronic F127衍生物等交聯劑常用于優化水凝膠網絡，但因其結構單一，多僅能改善力學與粘附性能，難以賦予所需的生物功能。因此，合理設計交聯劑，使水凝膠兼具優異的力學性能、濕性粘附及多重生物活性具有重要意義。

針對上述挑戰，中山大學吳丁財教授團隊成功合成了一種新型多功能ε-聚賴氨酸接枝二氧化錳納米交聯劑（EPL-g-MnO2），其EPL側鏈均勻分布于MnO2基底表面，避免組分團聚導致的性能下降。與傳統交聯劑相比，該“一體化”設計集成了剛性骨架、濕性粘附位點和生物活性組分，從而賦予可注射水凝膠（即OSEG水凝膠）出色的力學與粘附性能以及多重生物功能。將EPL-g-MnO2與氧化葡聚糖（Odex）、明膠（Gel）及亞精胺（SPD）復合后，通過亞胺鍵、氫鍵及離子鍵的協同作用快速形成強韌的交聯網絡。EPL-g-MnO2的剛性MnO2基底與交聯橋協同提高力學性能，而高正電性的EPL側鏈則吸附帶負電的血細胞與蛋白以促進止血。而且，交聯網絡中的活性基團（如醛基與氨基等），能與創面組織及血液組分相互作用，建立穩定的濕態粘附界面，并吸附血液成分促凝血。在心臟出血模型中，OSEG水凝膠實現了24.9秒的快速止血，優于商用止血材料SURGIFLO。更重要的是，EPL-g-MnO2具有抗菌和抗氧化功能，可與SPD協同調節組織微環境，從而促進創傷修復。在感染傷口的酸性微環境中，交聯網絡因亞胺鍵斷裂而加速降解，進一步暴露EPL-g-MnO2與SPD，并為細胞生長提供空間。因此，在大鼠感染性顱骨缺損模型中，OSEG水凝膠的骨修復效果可達到商用止血材料SURGIFLO的3.3倍，展現了卓越的組織修復能力。

圖1. OSEG水凝膠的制備及其生物醫學應用。(a) OSEG水凝膠的制備流程示意圖及其各組分的功能機制。(b) OSEG水凝膠在兔肝臟出血、動脈出血及心臟出血模型中用于止血的示意圖。(c) OSEG水凝膠在大鼠感染性顱骨缺損模型中用于修復的示意圖。

圖2. 水凝膠的凝膠化過程與表征。(a) OSEG水凝膠形成的數碼照片。(b) OSEG水凝膠注射過程的數碼照片。(c) 凍干Odex、Gel和OSEG水凝膠的FT-IR光譜。(d)凍干OSEG水凝膠的SEM圖像。(e) OG（Odex/Gel）、OSG（Odex/SPD/Gel）、OSMG（Odex/SPD/MnO2/Gel）、OSMEG（Odex/SPD/MnO2/EPL/Gel）和OSEG水凝膠的溶脹比。(f) OG、OSG、OSMG、OSMEG和OSEG水凝膠的凝膠時間。(g) OSEG水凝膠在時間掃描測試中的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）。(h) OG、OSG、OSMG、OSMEG和OSEG水凝膠的最大儲能模量（G'）值。(i) OSEG水凝膠自愈合行為的數碼照片。(j) OSEG水凝膠的振蕩應變掃描及隨后時間掃描測試結果。

圖3. 水凝膠的力學性能與組織粘附性能。(a) 不同水凝膠的代表性拉伸應力-應變曲線，以及(b) 不同水凝膠的拉伸強度。(c) 不同水凝膠的代表性壓縮應力-應變曲線，以及(d) 不同水凝膠的壓縮強度。(e) 不同水凝膠在豬皮上的代表性粘附強度-位移曲線，以及(f) 不同水凝膠在豬皮上的粘附強度。(g) OSEG水凝膠在豬皮上原位形成后，經拉伸、彎曲、扭曲及水沖洗的數碼照片。(h) 爆破壓力測試示意圖。(i) 粘附于豬皮上的不同水凝膠的爆破壓力。

圖4. 水凝膠的血液相容性、凝血能力及抗菌活性。(a) 不同水凝膠的溶血率。(b) 空白組與水凝膠涂覆孔板中的時間依賴性血液凝固的數碼照片。(c) 空白組與水凝膠涂覆孔板中的血液凝固時間。(d) 孵育4分鐘后，空白組與水凝膠涂覆孔板中血凝塊的SEM圖像。(e)不同水凝膠在37°C下與大腸桿菌和金黃色葡萄球菌孵育8小時后細菌涂板的數碼照片，以及（f）大腸桿菌和（g）金黃色葡萄球菌的存活率。(h) 空白組與OSEG組的大腸桿菌（上排）和金黃色葡萄球菌（下排）的SEM圖像。紅色箭頭指示破裂的細菌膜。

圖5. 水凝膠的體外ROS清除、成骨及免疫調節性能。(a) 培養1、3和7天后人間充質干細胞（hMSCs）的細胞活性。(b) 流式細胞術分析及 (c) hMSCs胞內ROS水平的相應定量分析結果。(d) hMSCs成骨相關基因及 (e) 蛋白質的表達。(f) hMSCs的ALP和ARS染色（比例尺，300 μm）。(g) RAW 264.7巨噬細胞中DCFH-DA探針檢測總胞內ROS水平及CD206/iNOS染色的熒光圖像。

圖6. 兔肝臟、動脈及心臟出血模型中的止血效果。(a) 兔肝臟、股動脈及心臟損傷止血實驗的示意圖。(b) OSEG水凝膠用于兔肝臟、股動脈及心臟損傷止血的代表性照片。紗布、商用止血材料SURGIFLO或OSEG水凝膠處理后，(c) 兔肝臟、(d) 股動脈及 (e) 心臟損傷模型中的失血量與止血時間。

圖7. 小鼠肝臟損傷模型的修復效果及皮下感染模型中的抗菌及抗炎效果。(a) 小鼠肝臟損傷模型中的愈合實驗示意圖。(b) 7天后肝組織的H&E染色和Masson三色染色（比例尺，200 μm）。黑色虛線區域為未愈合區域。(c) 小鼠皮下感染模型及OSEG水凝膠注射示意圖。(d) 治療后第3天組織的H&E、Giemsa、CD86/CD68以及CD206/CD68染色（比例尺，100 μm）。紅色箭頭指示細菌菌落。

圖8.大鼠感染性顱骨缺損模型中的止血與促愈合效果。

(a) 應用 OSEG 水凝膠的大鼠感染性顱骨缺損模型實驗設計示意圖。 (b) 顱骨缺損部位的出血范圍。 (c) 處理后第 1 、 3 和 7 天的白細胞水平。 (d) 處理后第 6 周和第 12 周骨缺損的顯微 CT 圖像（比例尺， 2 mm ）。圖中自上而下展示了大體觀、冠狀面和矢狀面視圖；紅色圓圈為骨缺損邊界。 (e) 處理后第 6 周和第 12 周的骨體積 / 總體積（ BV/TV ）分析結果。 (f) 處理后第 6 周和第 12 周缺損部位的 H&E 染色（上排）和 Masson 三色染色（下排）（比例尺，整體視圖為 2 mm ，放大圖為 200 μm ）。

論文信息：

Versatile Nano-Crosslinker Enhanced Injectable Hydrogel Toward Rapid Hemostasis and Efficient Trauma Repair

Xiaoshuai Peng, Fenglei Chen, Yunhui Zhang, Mengyu Wang, Yue Fan, Guan Zheng, Peng Wang*, Yuheng Lu*, Zhaopeng Cai*, Dingcai Wu*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.73277