新型超疏水纱布--快速止血、防感染、不粘伤口

chem化学科普2020-02-09509610

生活中磕磕碰碰，破个口流点血是很常见的事情，但严重情况下的流血过多和伤口感染却是可以致人死亡的重要原因。传统的止血方法是利用纱布按压伤口，通过纱布吸收血液中的水分以促进血液的凝固。然而，纱布在吸收血液的成分之后会形成一种固体复合物，导致纱布粘附在伤口上，在去掉纱布时很容易造成二次出血和伤口感染，给伤口护理带来极大的麻烦。于是，具有促进快速凝血和易移除特点的纱布就成了研究热点。人们曾利用超疏水材料制备纱布，或者在纱布表面修饰一层超疏水材料以避免血液透过纱布，但是这些方法主要是基于止血材料吸收血液来止血的，不会降低失血量，并且很难避免二次出血。

最近，新加坡国立大学的Choon Hwai Yap教授和瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的Dimos Poulikakos博士等研究者设计了含有碳纳米纤维（carbon nanofiber，CNF）的超疏水材料，它们能够促进纤维蛋白的快速生长，实现快速凝血。由于其超疏水性，可以避免血液润湿以防止失血，CNF还能大大减少细菌附着。此外，在血块形成之后发生收缩时，这可促进纱布与血块的分离。相关工作发表在Nature Communications 上。

新型超疏水纱布--快速止血、防感染、不粘伤口第1张

图1. 新型碳纳米纤维超疏水纱布。图片来源：National University of Singapore

首先，为了制备具有强疏水性和接触血液后能迅速促进血液凝固的止血材料，作者提出将CNF（直径100 nm,长度20~200 μm）分别与聚四氟乙烯（PTFE）或者聚二甲基硅氧烷（PDMS）的混合物喷涂到基底上（图2）。这些复合材料中的疏水部分和喷涂形成的颗粒使其具有超疏水性（图3a）。即使血液比水的表面张力小，在该材料上依然接触角很大。该性能使血液无法渗透到纱布中，有助于伤口止血。

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图2. 止血材料的组成。图片来源：Nat. Commun.

接着作者研究了这些复合材料对蛋白纤维形成的影响，其有助于血液的凝固和伤口的愈合（图3）。结果证明即使存在具有抗凝血性能的EDTA或柠檬酸钠时，在含CNF的止血材料表面还可观察到蛋白纤维的快速生成（图3b-c）。而在降低CNF含量时，没有观察到该现象，这证明CNF的纳米结构是超疏水表面产生蛋白纤维的关键因素，只不过相关机理现在还不清楚。

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图3. 超疏水碳纤维表面纤维蛋白的生成。图片来源：Nat. Commun.

随后作者研究了这两些复合材料的抗菌性能。作者在共聚焦显微镜下观察了含有绿色荧光蛋白的大肠杆菌在超疏水CNF表面的粘附情况，发现几乎没有细菌存在（图4b），这应该与CNF表面的疏水性和微纳米级结构有关。作者还研究了这两种复合材料促进凝血的性能（图4d），将同样体积的血液放在两片纱布之间凝固一段时间，然后终止凝血。与普通纱布相比，含CNF的纱布血红蛋白水平较低，说明CNF纱布更有助于血液凝固，使血红蛋白束缚在血块中。然后作者将血液放在硅胶管中，模拟了止血过程，当止血纱布中掺有含CNF的材料时能够实现快速凝血，而使用普通纱布时有大量血液渗出，这再一次证明含CNF复合材料优异的止血性能。

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图4. 关于具有抗菌、促进血液凝固、疏水性等特点的表征。图片来源：Nat. Commun.

另外，作者发现血液在CNF纱布表面凝固之后会收缩，这能够促使血块从纱布上剥离（图5）。这是因为在血液开始凝固时，纤维蛋白在纱布表面形成网状结构以形成凝块，而血液凝块与纱布之间存在很多空穴，降低了血块与纱布之间的作用力。而在凝块形成过程中血小板丝状伪足会拉伸蛋白纤维产生收缩应力，促进血块的剥离。作者还将该止血材料的效果与三种商业止血产品（Smith & Nephew, 3M和Guardian）进行了对比，结果显示CNF纱布造成的痛感比它们小24-52倍。该纱布的优异性能在大鼠实验中也得到了验证。

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