《AM》中山大学吴丁财团队：多功能纳米交联剂增强可注射水凝胶实现创伤快速止血与高效修复

无法控制的创伤性出血常并发感染与愈合不良，占创伤相关性死亡原因的30%以上。对于涉及脆弱器官、深部伤口或骨缺损的严重创伤，传统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、促修复等），难以兼顾快速止血与高效修复。尤其在医疗资源匮乏环境中，延迟送医可致感染率高达63.2%，加剧严重并发症风险。具有多重键合网络的可注射水凝胶可通过流动性与原位凝胶化自适应封堵创面，是高效止血的有力候选。近年来，聚乙二醇衍生物、钙离子、Pluronic F127衍生物等交联剂常用于优化水凝胶网络，但因其结构单一，多仅能改善力学与粘附性能，难以赋予所需的生物功能。因此，合理设计交联剂，使水凝胶兼具优异的力学性能、湿性粘附及多重生物活性具有重要意义。

针对上述挑战，中山大学吴丁财教授团队成功合成了一种新型多功能ε-聚赖氨酸接枝二氧化锰纳米交联剂（EPL-g-MnO2），其EPL侧链均匀分布于MnO2基底表面，避免组分团聚导致的性能下降。与传统交联剂相比，该“一体化”设计集成了刚性骨架、湿性粘附位点和生物活性组分，从而赋予可注射水凝胶（即OSEG水凝胶）出色的力学与粘附性能以及多重生物功能。将EPL-g-MnO2与氧化葡聚糖（Odex）、明胶（Gel）及亚精胺（SPD）复合后，通过亚胺键、氢键及离子键的协同作用快速形成强韧的交联网络。EPL-g-MnO2的刚性MnO2基底与交联桥协同提高力学性能，而高正电性的EPL侧链则吸附带负电的血细胞与蛋白以促进止血。而且，交联网络中的活性基团（如醛基与氨基等），能与创面组织及血液组分相互作用，建立稳定的湿态粘附界面，并吸附血液成分促凝血。在心脏出血模型中，OSEG水凝胶实现了24.9秒的快速止血，优于商用止血材料SURGIFLO。更重要的是，EPL-g-MnO2具有抗菌和抗氧化功能，可与SPD协同调节组织微环境，从而促进创伤修复。在感染伤口的酸性微环境中，交联网络因亚胺键断裂而加速降解，进一步暴露EPL-g-MnO2与SPD，并为细胞生长提供空间。因此，在大鼠感染性颅骨缺损模型中，OSEG水凝胶的骨修复效果可达到商用止血材料SURGIFLO的3.3倍，展现了卓越的组织修复能力。

图1. OSEG水凝胶的制备及其生物医学应用。(a) OSEG水凝胶的制备流程示意图及其各组分的功能机制。(b) OSEG水凝胶在兔肝脏出血、动脉出血及心脏出血模型中用于止血的示意图。(c) OSEG水凝胶在大鼠感染性颅骨缺损模型中用于修复的示意图。

图2. 水凝胶的凝胶化过程与表征。(a) OSEG水凝胶形成的数码照片。(b) OSEG水凝胶注射过程的数码照片。(c) 冻干Odex、Gel和OSEG水凝胶的FT-IR光谱。(d)冻干OSEG水凝胶的SEM图像。(e) OG（Odex/Gel）、OSG（Odex/SPD/Gel）、OSMG（Odex/SPD/MnO2/Gel）、OSMEG（Odex/SPD/MnO2/EPL/Gel）和OSEG水凝胶的溶胀比。(f) OG、OSG、OSMG、OSMEG和OSEG水凝胶的凝胶时间。(g) OSEG水凝胶在时间扫描测试中的储能模量（G'）和损耗模量（G''）。(h) OG、OSG、OSMG、OSMEG和OSEG水凝胶的最大储能模量（G'）值。(i) OSEG水凝胶自愈合行为的数码照片。(j) OSEG水凝胶的振荡应变扫描及随后时间扫描测试结果。

图3. 水凝胶的力学性能与组织粘附性能。(a) 不同水凝胶的代表性拉伸应力-应变曲线，以及(b) 不同水凝胶的拉伸强度。(c) 不同水凝胶的代表性压缩应力-应变曲线，以及(d) 不同水凝胶的压缩强度。(e) 不同水凝胶在猪皮上的代表性粘附强度-位移曲线，以及(f) 不同水凝胶在猪皮上的粘附强度。(g) OSEG水凝胶在猪皮上原位形成后，经拉伸、弯曲、扭曲及水冲洗的数码照片。(h) 爆破压力测试示意图。(i) 粘附于猪皮上的不同水凝胶的爆破压力。

图4. 水凝胶的血液相容性、凝血能力及抗菌活性。(a) 不同水凝胶的溶血率。(b) 空白组与水凝胶涂覆孔板中的时间依赖性血液凝固的数码照片。(c) 空白组与水凝胶涂覆孔板中的血液凝固时间。(d) 孵育4分钟后，空白组与水凝胶涂覆孔板中血凝块的SEM图像。(e)不同水凝胶在37°C下与大肠杆菌和金黄色葡萄球菌孵育8小时后细菌涂板的数码照片，以及（f）大肠杆菌和（g）金黄色葡萄球菌的存活率。(h) 空白组与OSEG组的大肠杆菌（上排）和金黄色葡萄球菌（下排）的SEM图像。红色箭头指示破裂的细菌膜。

图5. 水凝胶的体外ROS清除、成骨及免疫调节性能。(a) 培养1、3和7天后人间充质干细胞（hMSCs）的细胞活性。(b) 流式细胞术分析及 (c) hMSCs胞内ROS水平的相应定量分析结果。(d) hMSCs成骨相关基因及 (e) 蛋白质的表达。(f) hMSCs的ALP和ARS染色（比例尺，300 μm）。(g) RAW 264.7巨噬细胞中DCFH-DA探针检测总胞内ROS水平及CD206/iNOS染色的荧光图像。

图6. 兔肝脏、动脉及心脏出血模型中的止血效果。(a) 兔肝脏、股动脉及心脏损伤止血实验的示意图。(b) OSEG水凝胶用于兔肝脏、股动脉及心脏损伤止血的代表性照片。纱布、商用止血材料SURGIFLO或OSEG水凝胶处理后，(c) 兔肝脏、(d) 股动脉及 (e) 心脏损伤模型中的失血量与止血时间。

图7. 小鼠肝脏损伤模型的修复效果及皮下感染模型中的抗菌及抗炎效果。(a) 小鼠肝脏损伤模型中的愈合实验示意图。(b) 7天后肝组织的H&E染色和Masson三色染色（比例尺，200 µm）。黑色虚线区域为未愈合区域。(c) 小鼠皮下感染模型及OSEG水凝胶注射示意图。(d) 治疗后第3天组织的H&E、Giemsa、CD86/CD68以及CD206/CD68染色（比例尺，100 µm）。红色箭头指示细菌菌落。

图8.大鼠感染性颅骨缺损模型中的止血与促愈合效果。

(a) 应用 OSEG 水凝胶的大鼠感染性颅骨缺损模型实验设计示意图。 (b) 颅骨缺损部位的出血范围。 (c) 处理后第 1 、 3 和 7 天的白细胞水平。 (d) 处理后第 6 周和第 12 周骨缺损的显微 CT 图像（比例尺， 2 mm ）。图中自上而下展示了大体观、冠状面和矢状面视图；红色圆圈为骨缺损边界。 (e) 处理后第 6 周和第 12 周的骨体积 / 总体积（ BV/TV ）分析结果。 (f) 处理后第 6 周和第 12 周缺损部位的 H&E 染色（上排）和 Masson 三色染色（下排）（比例尺，整体视图为 2 mm ，放大图为 200 µm ）。

论文信息：

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