凝胶，登上Nature，瞬间止血！-特诺科技官方网站

凝胶，登上Nature，瞬间止血！

来源：科诺科研

新型工程化血凝块可实现快速止血与增强组织再生

严重出血，尤其是躯干创伤出血，是临床重大挑战。天然血凝块形成需数分钟，在致命性大出血时过于缓慢；且其力学性能薄弱，红细胞占45%体积，而结构蛋白纤维网不足1%，导致易碎、易破裂，难以有效封闭伤口。传统材料增强策略因血凝块缺乏结构聚合物且细胞环境敏感而难以适用。因此，快速构建兼具高强度与生物活性的血凝块，成为亟待解决的关键难题。

鉴于此，加拿大麦吉尔大学的李剑宇教授开发了一种名为“点击凝血”（click clotting）的新策略。该策略利用超快生物正交点击化学，通过微量高分子链接剂共价交联红细胞，在数秒内形成坚韧的细胞凝胶（cytogel），并将其与天然血凝块整合，得到工程化血凝块（EBC）。与天然血凝块相比，EBC的断裂韧性提升了13倍，粘附能提升了4倍。实验和模型研究证实，机械整合的细胞发生破裂是关键的增韧机制。体内研究表明，EBC能快速止血、促进组织再生、减轻炎症和异物反应，并有效防止术后粘连。该策略适用于多种细胞和聚合物，为开发用于出血控制、伤口管理及组织修复的新型高细胞化材料开辟了新途径。相关成果以题为“Engineering tough blood clots for rapid haemostasis and enhanced regeneration”发表在最新一期《nature》上。

设计与构建

为了将活细胞共价交联成连续网络，研究者提出了两个设计标准：1）形成细胞与聚合物链接剂之间的生物正交共价键；2）通过适当的细胞密度、聚合物尺寸和浓度，构建长程连接的细胞网络。研究以红细胞为模型，选用了反式环辛烯（TCO）与四嗪（TZ）之间的点击化学反应。他们将TCO基团共价连接到红细胞膜蛋白上，这些蛋白锚定在细胞骨架上，提供了稳固的连接点（图1a）。同时，将TZ基团接枝到长链透明质酸（HA）上作为聚合物链接剂。共聚焦成像证实TCO在红细胞表面均匀分布（图1e），密度高达每个红细胞5.4×10⁷个。

图 1 | 点击凝血和EBC的示意图及特性

将修饰后的红细胞（RBC-TCO）与聚合物链接剂（HA-TZ）混合后，通过点击凝血在不到5秒内形成细胞凝胶（RBC cytogel）。流变学分析显示，其储能模量（G′）为200 Pa，远大于损耗模量（G″）的25 Pa，而未修饰的红细胞与聚合物混合后仍为粘性液体（图1f）。与通过静电或疏水作用形成的传统血液凝胶相比，该细胞凝胶具有更高的刚度和弹性。值得注意的是，工程化血凝块（EBC）由RBC细胞凝胶与纤维蛋白网络互穿构成，既实现了瞬时凝胶化，又显著增强了力学性能（图1h）。

力学性能

力学测试揭示了这种坚韧细胞凝胶的独特行为。剪切模量和断裂能均随细胞体积分数的增加呈非单调变化，并在红细胞体积分数为33%时达到峰值，这与天然全血中的红细胞含量相当（图2b, 2g）。重要的是，断裂能对聚合物链接剂的浓度不敏感（图2h），表明其断裂主要由细胞破裂主导，而非聚合物网络，这与传统水凝胶截然不同。

图 2 | 点击红细胞细胞凝胶的凝血和骨折

通过循环拉伸测试，研究者观察到明显的滞后环（加载与卸载曲线间的面积），且滞后效应在第一次循环后显著减弱（图2j），这种现象类似于弹性体中的Mullins效应。同时，拉伸后细胞凝胶释放的血红蛋白量与拉伸比呈线性正相关（图2k），直接证实了红细胞在变形过程中发生破裂并耗散能量。基于此，团队建立了有限元模型，模拟结果证实了红细胞破裂引起的Mullins效应是细胞凝胶增韧的关键机制（图2l）。

合成与表征

在构建EBC时，点击凝血与天然凝血过程协同作用（图3a）。流变学测试表明，得益于超快的TCO-TZ反应，EBC的储能模量（G′）瞬间超过损耗模量（G″），其凝胶时间远短于天然血凝块（图3b, 3c）。共聚焦和扫描电镜图像清晰显示，EBC内形成了由HA-TZ（蓝色）连接的连续红细胞网络（红色），并与纤维蛋白网络（绿色）相互贯穿（图3d, 3e）。

图 3 | EBC的结构和力学特性表征

在力学性能对比中，EBC的断裂能（25.6 J m^-2）是天然血凝块的10倍，是商业止血材料Floseal的9.5倍（图3g）。当纤维蛋白含量提升至生理水平（约0.3 mg ml^-1）时，EBC的断裂能进一步达到32.4 J m^-2。在爆破压力测试中，EBC_b（含生理水平纤维蛋白）达到59 mmHg，约为天然血凝块的三倍（图3h）。此外，EBC在生物组织上的粘附能为6.3 J m^-2，约为天然血凝块的四倍（图3i）。

生物相容性与降解性

体外实验显示，EBC浸提液培养的人成纤维细胞存活率接近100%，且未引起溶血。流式细胞术分析表明，EBC不会激活或破坏血小板、单核细胞、淋巴细胞和自然杀伤细胞等血液成分。在大鼠皮下植入模型中，EBC引起的炎症反应在第7天后即降至极轻微水平（图4b），而Floseal则表现出持续的中度炎症。在8周的观察期内，EBC和细胞凝胶降解完全，而天然血凝块和Floseal降解更快（图4c）。生物分布研究显示，EBC降解产物主要通过肝脏和肾脏清除，未发现全身毒性迹象。

图 4 | EBC 的生物相容性、止血和再生

止血与再生

在大鼠肝脏深部切口出血模型中，EBC将失血量从1,813 mg降至24 mg，止血时间从265秒缩短至5秒，效果远优于Floseal（图4e, 4f）。更重要的是，在大鼠肝脏穿刺体积缺损模型中，EBC不仅实现了快速止血（图4h, 4i），还显著促进了肝脏再生。术后28天，EBC组肝脏几乎完全再生（接近100%），且无明显瘢痕（图4k, 4l）；而Floseal组再生率仅为84%，并伴有明显瘢痕和纤维囊形成。组织学分析证实，EBC引发的炎症反应极轻（图4m），并且将术后粘连并发症的发生率从Floseal组的83%显著降低至17%（图4n）。此外，使用不同品系大鼠制备的同种异体EBC也取得了与自体EBC相当的治疗效果和安全性。

总结与展望

本研究成功确立了“点击凝血”作为一种将细胞机械整合成坚韧细胞凝胶的通用策略，并证明了工程化血凝块在增强止血和促进再生方面的巨大潜力。EBC凭借其秒级成胶、超高断裂韧性、强组织粘附力、优异的生物相容性和促再生能力，在多个动物模型中表现卓越。未来，该研究需在特定临床场景下进一步验证其性能，特别是涉及凝血功能障碍和其他血液疾病的病例。同时，开发能够关联细胞凝胶结构与宏观力学响应的预测性力学模型也将是重要方向。这项工作为设计和转化高细胞化材料打开了新的大门，有望在急救医学、外科手术和再生医学领域产生深远影响。

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