一种快速吸血、孔道有序的止血海绵的制备及应用的制作方法

1.本发明涉及一种快速吸血、孔道有序的止血海绵的制备及应用，属于生物医用材料和医疗器械领域。


背景技术：

2.不受控的出血是事故和战斗伤害死亡的主要原因，在过去的三十年中出血死亡占院前死亡的三分之一。不仅如此，包括心血管、肝脏、骨科和脊柱手术在内的外科手术中，出现大出血的可能性也很高，因此，需要有效的止血材料进行止血。对于出现不可控性出血时，若能在30min内有效止住，40％以上的伤亡是可以避免的。目前市场上有许多形状记忆聚合物海绵作为伤口敷料或止血剂被开发出来并具有良好的止血能力，但是可能需要花费数十秒才能恢复其形状，延长了止血时间。因此仍然非常需要开发一种形状记忆止血材料，具有瞬时和高血液吸收能力和快速形状恢复能力，止血效果快、生物相容性优良，并能体内降解，这具有十分重要的意义。
3.由于天然高分子具有生物相容性好与机体组织的微环境相类似的特点，所以目前它们仍然是作为外科手术用生物材料的首选。其中，胶原蛋白由于其生物相容性良好，被广泛用于伤口愈合和组织修复。同时利用定向冷冻技术制备具有高度各向异性微观结构的多孔胶原蛋白复合海绵，具有有序的孔洞结构有利于水分子在止血海绵内部的转移，从而增强了止血海绵转移血液中水分子的能力，提高了其快速吸液性能，进而浓缩了血液中的凝血成分，加快凝血进程，进行有效的物理性止血。目前市场上有一些止血产品，如福康森的明胶海绵，celox的壳聚糖“速效止血粉”，perelot的改性淀粉止血粉等，尽管在处理一般的组织表面伤口时能够有效的终止出血。但是，对于由子弹和尖锐物引起的弹道伤和穿透伤等不可压缩和不规则深层创面伤口，无法贴附狭窄出血口；吸收血液速度慢，止血时间较长，不具有形状记忆功能，不能以形状恢复堵塞的方式进行止血。


技术实现要素：

4.[技术问题]
[0005]
现有技术中目前存在的止血海绵存在着各种不足。例如，明胶海绵是目前常用的止血材料，使用历史长，但机械性能和粘附性能较差，遇到血液后，极易破损，易脱落；壳聚糖类材料生物相容性好，具有抗菌作用，但常常需要与其它止血剂联用，降解后呈酸性，植入体内后可能后会导致炎症反应；已被开发的纤维素类形状记忆海绵可以快速膨胀以填充伤口并对伤口施加压力以控制出血，但由于其不可降解的特性，需要在止血后取出，增加了患者的二次清创痛苦。
[0006]
[技术方案]
[0007]
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种既能够快速吸血且孔道有序的止血海绵的制备及应用，本发明以甲基丙烯酰化透明质酸hama和甲基丙烯酰化胶原蛋白colma作为原料，利用定向冷冻技术和紫外交联技术最终制备得到具有合适的机械性能、能够快速
吸收液体且具有形状记忆功能的复合胶原蛋白快速止血海绵。
[0008]
具体的，本发明提供了一种快速吸血的止血海绵的制备方法，所述方法包括以下步骤：
[0009]
(1)配制海绵前体溶液：将甲基丙烯酸化胶原蛋白colma、甲基丙烯酸化透明质酸hama和光引发剂溶于水中配制得到海绵前体溶液，其中，colma、hama和光引发剂的质量浓度分别为2～3％、0.5
‑
2％和0.1
‑
0.5％；
[0010]
(2)定向冷冻制备海绵：将步骤(1)得到的海绵前体溶液倒入模具中，将模具以一定速率放入至液氮中至冷冻成型，之后用紫外光照射0.3
‑
1h，然后将紫外光交联后的海绵进行冷冻干燥，即可得到所述快速吸血的止血海绵。
[0011]
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述甲基丙烯酸化胶原蛋白colma可以通过现有公开的方法制备得到，优选的，通过以下方法制备得到：将胶原蛋白溶解在蒸馏水中，室温下搅拌使其充分溶解，缓慢加入甲基丙烯酸酐ma，用1～2m naoh调节ph保持在8
‑
9，室温下搅拌反应。反应结束后用蒸馏水透析3～4d，冷冻干燥，
‑
80～
‑
20℃保存。
[0012]
在本发明的一种实施方式中，甲基丙烯酸化胶原蛋白colma的制备方法中，胶原蛋白的浓度为2～3.5mg/ml；胶原蛋白与甲基丙烯酸酐的比例为1:1～1:3(mg:ul)；反应时间为24～48h
[0013]
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述甲基丙烯酰化透明质酸hama可市购或通过现有方法制备得到，优选的制备方法为：将透明质酸原料溶解于dmf/水混合溶剂中配制得到透明质酸溶液，然后在上述溶液中添加甲基丙烯酸酐ma，之后间隔调节ph至8
‑
11，然后从加完ma开始计时，4℃搅拌24
‑
48h，之后加入无水乙醇沉淀，静置后离心分离收集沉淀，再加水复溶，透析后冷冻干燥即可。
[0014]
在本发明的一种实施方式中，所述甲基丙烯酰化透明质酸hama的制备方法中，透明质酸的分子量为200000～400000；透明质酸的质量浓度为8～14g/l；dmf与水的混合溶剂体积比为1:1～1:3；甲基丙烯酸酐与透明质酸溶液的体积比为1:15～3:20；间隔调节是指每20
‑
40min调节一次ph；乙醇的用量为在终溶液中的浓度＞80％，沉淀的时间为24～48h。
[0015]
在本发明的一种实施方式中，步骤(1)中，所述甲基丙烯酰化透明质酸hama的制备方法优选为：将1g分子量为200000～400000的透明质酸原料溶解于90ml dmf/水(1:2；v/v)混合溶剂中，冰浴搅拌，配置成透明质酸溶液。向透明质酸溶液中缓慢添加8ml甲基丙烯酸酐ma(0.5ml/min)。用5m naoh调节ph，在滴加完ma后每半小时调节一次ph，直至ph稳定不变(约4
‑
5小时)，之后4℃搅拌24h(从加完ma开始计时)。最后将反应液用1l乙醇沉淀，
‑
20℃放置24h。5000r 10min离心收集沉淀，再用少量水复溶，在水中透析3d，并将透析产物冷冻干燥，获得干燥的白色絮状hama。
[0016]
在本发明的一种实施方式中，所述光引发剂优选为光引发剂lap或irgacure 2959。
[0017]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，所述模具底面为能够迅速传递温度的金属铜器，模具侧面用保温材料包裹以达到隔热效果。
[0018]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，所述一定速率为模具以1～3mm/min的速率缓慢下降到液氮中。
[0019]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，所述冷冻成型是指在液氮中冷冻时间至
少20
‑
30min。
[0020]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，所述紫外光可以为任意来源的紫外光。
[0021]
在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中，冷冻干燥的时间为24～48h。
[0022]
本发明还提供了上述制备方法制备得到的快速吸血的止血海绵。
[0023]
本发明还包括了包含上述快速吸血的止血海绵的医疗器械。
[0024]
本发明相对于现有技术，具有以下的优点和效果：
[0025]
(1)本发明通过定向冷冻制备得到的止血材料具有各向异性的连通大孔道，溶胀率高，可在2
‑
3秒内快速吸水浓缩血液，缩短凝血级联反应时间，促进凝血。操作简便，且止血时间较短。
[0026]
(2)本发明制备得到的止血材料具有良好的形状记忆功能以及合适的机械性能，可在止血过程中迅速恢复原来的形状，产生一定的压缩强度，即可以形状恢复堵塞的方式快速高效止血，除了浅表伤口的止血外，能够满足不规则深层创面伤口以及动脉快速止血的要求。
[0027]
(3)本发明的快速止血海绵在止血完成后，由于生物相容型好，可降解，不必立即清创，止血效果可延续，避免了二次出血的风险
附图说明
[0028]
图1为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的密度。
[0029]
图2为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的孔隙率。
[0030]
图3为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的溶胀率。
[0031]
图4为实施例1制备得到的cm2.5h0.6的复合有序孔道海绵的溶胀照片。
[0032]
图5为实施例1制备得到的cm2.5h0.6的复合有序孔道海绵的sem照片。
[0033]
图6为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵的机械性能。
[0034]
图7为实施例1制备得到的cm2.5h0.6的复合有序孔道海绵的流阻数据。
[0035]
图8为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的凝血指数。
[0036]
图9为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的凝血照片，其中，对照是指是指不加任何材料，其余操作和实验组保持相同的空白组。
[0037]
图10为实施例1制备得到的cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵与市售福康森止血海绵的溶血实验数据。
[0038]
图11为实施例1制备得到的cm2.5h0.6与对比例3制备得到的非定向cm2.5h0.6的吸液量数据。
具体实施方式
[0039]
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0040]
实施例1
[0041]
(1)甲基丙烯酰化透明质酸hama的制备：
[0042]
将1g分子量为200000～400000的透明质酸原料溶解于90ml dmf/水(1:2；v/v)混合溶剂中，冰浴搅拌，配置成透明质酸溶液。向透明质酸溶液中缓慢添加8ml甲基丙烯酸酐ma(0.5ml/min)。用5m naoh调节ph，在滴加完ma后每半小时调节一次ph，直至ph稳定不变(ph稳定至9左右，约4
‑
5小时)，之后4℃搅拌24h(从加完ma开始计时)。最后将反应液用1l乙醇沉淀，
‑
20℃放置24h。5000r 10min离心收集沉淀，再用少量水复溶，在水中透析3d，并将透析产物冷冻干燥，获得干燥的白色絮状hama(甲基丙烯酰化透明质酸)。
[0043]
(2)甲基丙烯酰化胶原蛋白colma的制备：
[0044]
将300mg胶原蛋白溶解在90ml蒸馏水中，室温下搅拌使其充分溶解，缓慢加入750ul甲基丙烯酸酐ma，用2m naoh调节ph保持在8
‑
9，室温下反应24h。反应结束后用蒸馏水透析3d，冷冻干燥，
‑
20℃保存。
[0045]
(3)有序孔道海绵的制备：
[0046]
(i)甲基丙烯酸化胶原蛋白/透明质酸混合溶液的制备：将制备的甲基丙烯酸化胶原蛋白colma溶解在水中配制出质量分数为2～3％的胶原蛋白溶液，并添加终质量分数为0.6％的甲基丙烯酸化透明质酸hama以及0.25％的光引发剂lap，获得海绵前体溶液。
[0047]
(ii)海绵的制备：将海绵前体溶液倒入直径约8mm的圆柱形模具凹槽内，在凹槽底面是一个能够迅速传递温度的金属铜器，模具侧面用保温材料包裹以达到隔热效果。将模具以1.5mm/min的速率缓慢下降到液氮中，直到圆柱形模具内的海绵前体溶液完全定向冻结成型，紧接着用波长为405nm的紫外手电照射半小时，使定向冷冻海绵发生光交联。然后将定向冷冻的海绵进行冷冻干燥，48h后取出，即获得复合有序孔道海绵。
[0048]
当步骤(3)colma的质量浓度分别为2％、2.5％和3.0％时，分别编号为cm2h0.6、cm2.5h0.6和cm3h0.6的复合有序孔道海绵。
[0049]
测试实验：
[0050]
(1)海绵密度：
[0051]
取干燥的止血材料准确称重:
[0052]
①
对于矩形的海绵，准确称重后分别应用游标卡尺测定止血材料的长、宽和高，由此可计算得到海绵的体积，利用公式p＝m/a*b*c计算，式中，m—海绵质量，a—海绵长度，b—海绵宽度，c—海绵厚度；
[0053]
②
对于圆柱状的海绵，准确称重后分别应用游标卡尺测定止血材料的直径、高，由此可计算得到海绵的体积，利用公式p＝4m/(πr2 h)计算，式中，m—海绵质量，r—圆柱体海绵的直径，h—圆柱体海绵的高；即可得到海绵密度。
[0054]
海绵密度数据见图1，其中福康森为市售止血海绵。可见，本发明制备得到的海绵的密度明显大于市售福康森的密度，最大密度可超过40mg/cm3。
[0055]
(2)孔隙率：
[0056]
选用一个容积为10ml的容量瓶，倒满乙醇称重m1，把事先称重(质量为m)的止血材料浸入乙醇中，超声脱气10min，使乙醇完全充满了多孔材料的孔中，用移液枪吸出超过刻
度线的无水乙醇，记录容量瓶总重量为m2。慢慢取出浸满了乙醇的样品，称剩余的乙醇与瓶重m3，利用公式k＝(m2
‑
m3
‑
m)/(m1
‑
m3)计算孔隙率。
[0057]
结果见图2，可见本发明制备得到的海绵具有较高的孔隙率以及较大的比表面积，可以提供较大的空间来吸附由于创伤而产生的血液，同时，高的比表面积也可以让材料自身产生一定的物理吸附力，可以做到对创面的紧密粘附，同时吸附和聚集血小板，为血小板提供聚集发挥效力的平台。
[0058]
(3)吸收液体速度：
[0059]
称取5mg左右的海绵样品放入ep管中，记录样品质量(w0)。然后，向ep管中加入1ml pbs溶液将样品浸没，37℃恒温。于不同的时间点取出后擦去样品表面的水分，用分析天平精确称量每个时间点的质量，并记录样品湿重(we)。样品的溶胀能力(sr)计算公式如式：
[0060][0061]
结果见图3和图4，可见，本发明压扁后的海绵能够在接触液体后1s之内快速恢复形状，说明本发明中的海绵形状恢复速率快，在实际应用中能够在伤口部位吸收血液后迅速膨胀起到快速止血的作用。吸收液体速率结果见图3，说明了本发明制备的止血海绵能够吸收自身重量三十多倍的液体重量，吸液量明显优于市售的福康森明胶海绵。
[0062]
(4)机械性能
[0063]
将圆柱体止血海绵(d＝8mm，h＝5mm)达到溶胀平衡后放置在万能测试机上带有圆形金属板的称重传感器(5kg)之间，以1mm/min的十字头速度将样品压缩至其厚度的70％应变，记录其在70％应变处的压缩强度，重复3次实验。
[0064]
结果见图5，本发明制备的止血海绵的力学性能优异，在治疗时对伤口有一定的压迫力，能够满足动脉出血等的止血需求。
[0065]
(5)sem：
[0066]
将样品浸泡在液氮中，3min后掰断样品，将cm2.5h0.6样品胶粘在载物台上，表面喷金，观察不同视野范围内样品的微观结构。结果见图6，可见止血海绵内部孔径规则均匀，大小在100
‑
200μm之间，空隙间相互连通，符合细胞再生所需的三维结构。
[0067]
(6)流阻
[0068]
将海绵固定在1ml注射器空管上端，利用万能试验拉力机以一定的速率(2mm/min)压缩另一端用管道相连的装满水的注射器，使得cm2.5h0.6海绵下端的液面慢慢上升，直至完全浸润海绵体。固定压缩直径10mm，压缩间隙数据用游标卡尺得到，记录下力与位移。
[0069]
结果见图7，可见当水接近海绵时，力几乎保持不变。当水开始渗透海绵时，市售的福康森海绵阻力显著增加，而cm2.5h0.6海绵能够快速通过液体，阻力几乎不变，说明了具有低曲折度(对齐通道)的多孔结构可以显着提高海绵的液体吸收速度。
[0070]
(7)体外止血实验
[0071]
1)凝血实验：
[0072]
实验步骤：事先将海绵裁成5mg的小块放入皿中，37℃放置10min，然后向样品表面轻轻滴加含有0.02ml 0.2m的cacl2的100ul小鼠全血，10min后沿壁加入轻轻加入10ml的去离子水，37℃下继续孵育10min。轻轻摇动培养皿30s洗去海绵中未结合的血细胞，将未凝血的血细胞冲洗掉。未凝固的红细胞在水中涨破，血红蛋白暴露在水中，水变成红色，通过水
的颜色深浅判断海绵的凝血能力。随后取出溶液在波长为540nm下测其abs值。水作为对照。凝血指数bci为：
[0073]
bci％＝ab样品/ab对照*100。
[0074]
结果见图8～9，可知空白对照组凝血指数较高，这说明血液在自然状态下凝血较慢；而定向冷冻各组的海绵相比于市售的福康森明胶海绵具有更好的凝血性能。这可能是因为海绵优异的吸液性能，可以快速吸收血液，造成血液成分在海绵表面富集，提升凝血速率。
[0075]
2)溶血实验：
[0076]
实验步骤：将小鼠新鲜血液加入含有3.8％柠檬酸钠的塑料管中混合，血液与抗凝剂的混合比例为9:1(体积比)，轻轻混匀后制得抗凝血液。之后2000r离心10min，用pbs反复洗涤，直至上清液无色为止，用pbs稀释得到5％的rbc悬液。将海绵裁成5mg的块状装入离心管内，加入1ml pbs以及300μl红细胞悬液，37℃孵育2h。2h后取出2000r 10min离心。酶标仪在540nm处测量上清液的吸光值。
[0077]
结果见图10，可见所有组海绵的溶血率都在5％以下，说明其具有良好的血液相容性，不会造成溶血的发生。
[0078]
实施例2
[0079]
(1)甲基丙烯酰化透明质酸hama的制备：
[0080]
将1g分子量为200000～400000的透明质酸原料溶解于100mldmf/水(1：3；v/v)混合溶剂中，冰浴搅拌，配置成透明质酸溶液。向透明质酸溶液中缓慢添加10ml甲基丙烯酸酐ma(0.5ml/min)。用5m naoh调节ph，在滴加完ma后每半小时调节一次ph，直至ph稳定不变(ph稳定至9左右，约4
‑
5小时)，之后4℃搅拌48h(从加完ma开始计时)。最后将反应液用1l乙醇沉淀，
‑
20℃放置48h。5000r 10min离心收集沉淀，再用少量水复溶，在水中透析3d，并将透析产物冷冻干燥，获得干燥的白色絮状hama(甲基丙烯酰化透明质酸)。
[0081]
(2)甲基丙烯酰化胶原蛋白colma的制备：
[0082]
将300mg胶原蛋白溶解在100ml蒸馏水中，室温下搅拌使其充分溶解，缓慢加入750ul甲基丙烯酸酐ma，用2m naoh调节ph保持在8
‑
9，室温下反应24h。反应结束后用蒸馏水透析3d，冷冻干燥，
‑
20℃保存。
[0083]
(3)有序孔道海绵的制备：
[0084]
(i)甲基丙烯酸化胶原蛋白/透明质酸混合溶液的制备：将制备的甲基丙烯酸化胶原蛋白colma溶解在水中配制出质量分数为3％的胶原蛋白溶液，并添加终质量分数为2％的甲基丙烯酸化透明质酸hama以及0.5％的光引发剂lap，获得海绵前体溶液。
[0085]
(ii)海绵的制备：将海绵前体溶液倒入直径约8mm的圆柱形模具凹槽内，在凹槽底面是一个能够迅速传递温度的金属铜器，模具侧面用保温材料包裹以达到隔热效果。将模具以1.5mm/min的速率缓慢下降到液氮中，直到圆柱形模具内的海绵前体溶液完全定向冻结成型，紧接着用波长为405nm的紫外手电照射半小时，使定向冷冻海绵发生光交联。然后将定向冷冻的海绵进行冷冻干燥，48h后取出，即获得复合有序孔道海绵。
[0086]
制备得到的复合有序孔道海绵具有和实施例1类似的合适的机械性能、能够快速吸收液体且具有形状记忆功能。
[0087]
对比例1
[0088]
实施例1步骤(3)中colma的浓度为2.5％，hama的浓度为0％，其他步骤和参数与实施例1一致，制备得到编号为cm2.5h0的复合有序孔道海绵。
[0089]
发现未添加透明质酸的cm2.5h0海绵力学强度较低，添加少量的透明质酸有利于提高其力学性能，约从20kpa提高到40kpa，以满足实际临床应用中物理压迫止血的需求。
[0090]
对比例2
[0091]
实施例1中步骤(3
‑
ii)中，将海绵前体溶液倒入直径约8mm的圆柱形模具凹槽内，在凹槽底面是一个能够迅速传递温度的金属铜器，模具侧面用保温材料包裹以达到隔热效果。将模具以1.5mm/min的速率缓慢下降到液氮中，直到圆柱形模具内的海绵前体溶液完全定向冻结成型，冷冻干燥24h后，用波长为405nm的紫外手电照射半小时，即获得海绵。
[0092]
发现定向冷冻后直接冻干再光交联的海绵质地很软，结构松散，压扁成形后泡水中无法恢复形变且会逐渐溶解。而经光交联后冻干得到的海绵(实施例1)结构紧密，力学性能优异；结构中可见纵向的纤维结构，具有优秀的液体触发形状恢复记忆特性。
[0093]
对比例3
[0094]
实施例1中步骤(3
‑
ii)中，将海绵前体溶液倒入直径约8mm的圆柱形模具凹槽内，凹槽底面和侧面均无保温材料包裹。先用波长为405nm的紫外手电照射半小时，然后将模具以1.5mm/min的速率缓慢下降到液氮中，直到圆柱形模具内的海绵前体溶液完全定向冻结成型，冷冻干燥，48h后取出，即获得非定向cm2.5h0.6海绵。
[0095]
发现非定向冷冻制备的海绵质地易碎，固定一定的形状后在水中恢复形变的时间约36秒左右，时间较久。如图11所示定向冷冻制备的cm2.5h0.6(实施例1)海绵表现出超高吸液量，可吸约三十多倍自身重量的液体，明显优于非定向海绵组。这也说明了定向冷定技术可以在一定程度上提高海绵的吸液能力。
[0096]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。