硅藻納米止血材料的研究進(jìn)展

宋蘊(yùn)琦,王寅初,王緒敏

(1.煙臺生命科學(xué)學(xué)院,山東 煙臺 264005; 2.中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所,山東 煙臺 264003; 3.國家基礎(chǔ)學(xué)科公共科學(xué)數(shù)據(jù)中心,北京 100190)

人體有一套完善的凝血途徑,但在突發(fā)情況下很難及時有效地完成止血。傳統(tǒng)的止血方法如燒灼術(shù)、人工按壓和傷口縫合等,但有時卻無法有效地控制出血,還需要止血材料的配合使用。臨床上的止血產(chǎn)品大多為止血帶、繃帶和紗布等[1],通過壓迫血管、阻斷血運(yùn)止血,這是處理四肢大出血時簡單、有效的方法,但若使用不當(dāng)或使用時間過長,可造成遠(yuǎn)端肢體缺血、壞死[2]。常見的止血材料有以下幾種類型:①無機(jī)鹽類止血材料,如沸石類止血劑、黏土類止血劑。這些制劑具有“分子篩”特性,能夠吸附水,將各種凝血因子、血小板及紅細(xì)胞集中在損傷部位,可迅速止血,但是也容易形成血栓,尤其是沸石類止血材料,容易燒傷組織[3]。②生物制品止血材料,如膠原和明膠類、凝血酶類、纖維蛋白類,具有激活凝血級聯(lián)的潛能及良好的生物可降解性,可被人體吸收,可用作體內(nèi)止血劑。但是膠原類價格較高,如牛膠原蛋白源自牛是一種強(qiáng)效過敏原,膠原容易粘在手套儀器上,不易去除,且難以在泌尿外科或眼科手術(shù)中使用,應(yīng)用范圍有限[4-5]。明膠類在小空間內(nèi)使用時會過度膨脹,容易造成損傷或形成膿腫,促進(jìn)細(xì)菌生長,干擾皮膚邊緣的愈合[6],不能用于血管內(nèi)。凝血酶類與纖維蛋白類保存條件較高。③多糖類止血材料,如殼聚糖類、纖維素、淀粉、葡聚糖類等。其可通過化學(xué)或物理方法改性,材料制作工藝煩瑣,價格較高。材料未浸透組織時,粉末狀的材料可能會堵塞血液,從而導(dǎo)致血栓[7]。

1 納米止血材料

納米技術(shù)是利用特殊的微觀結(jié)構(gòu),使納米材料得到改善,優(yōu)化其擴(kuò)散性、溶解性及生物相容性、大表面積及藥物緩釋性。近年來,取得較好發(fā)展的納米止血材料主要有脂質(zhì)體、納米粒、自組裝納米肽及納米纖維(見表1)。

表1 納米止血材料的主要種類Tab.1 Main types of nano hemostatic materials

除了以上納米材料,硅藻硅殼作為一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的新材料具有高度的結(jié)構(gòu)精細(xì)度[12]。二氧化硅硅藻作為一種非細(xì)胞毒性、非免疫原性及廉價的止血劑被引入,能夠克服常用止血材料的缺點(diǎn)。硅藻是一種單細(xì)胞光合藻類,外殼由多孔生物礦化硅組成,具有高度有序的分級結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是一個活的納米結(jié)構(gòu)工廠[13]。目前,硅藻生物硅的應(yīng)用已達(dá)到納米水平,通過不同方法可對其進(jìn)行改善,利用價值不斷提升。

2 硅藻介孔硅的材料學(xué)特性

介孔硅是一種孔徑為2～50 nm的二氧化硅材料,具有較大的比表面積及孔容、良好的生物相容性、可控的孔徑及有序可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)[14]。由于介孔硅具有獨(dú)特的生物降解性與生物相容性,在硅藻中獲得生物二氧化硅之前,已有大量的實(shí)驗利用其控制出血[15]。有報道稱,介孔生物二氧化硅可通過聚集紅細(xì)胞和血小板,激活凝血級聯(lián),迅速促進(jìn)止血過程[16]。文獻(xiàn)[17]表明,負(fù)電荷對于激活凝血級聯(lián)的內(nèi)在途徑至關(guān)重要。硅醇等官能團(tuán)的活性反應(yīng)位點(diǎn),令血清中相對酶凝血因子XII可能在凝血活性中較為關(guān)鍵[18]。但介孔硅材料合成技術(shù)的制備工藝復(fù)雜、能耗高,而納米結(jié)構(gòu)二氧化硅可從自然或生物資源中獲得,加工成本大大減少。硅藻是單細(xì)胞的光合藻類,被包裹在“錐狀體”多孔三維納米的二氧化硅外殼中。硅藻和硅藻土中的生物納米多孔二氧化硅構(gòu)成了一種可用于生物醫(yī)學(xué)的大型、低成本的介孔納米器件儲層。硅藻具有物種特異性及高度有序的孔隙結(jié)構(gòu)、層次化的孔隙組織及優(yōu)良的表面潤濕性[19]。研究表明,天然硅藻殼表面的極性硅醇基團(tuán)由于帶負(fù)電荷,能有效促進(jìn)血液凝固[18,20-21]。通過簡單的酸處理或高溫焙燒處理[22],可得到大量多孔生物硅,無需使用有毒試劑,也無需復(fù)雜的合成過程,保證了生物硅的使用安全性。在電鏡下可直觀看到硅藻外殼有許多小孔,這些小孔可負(fù)載不同功能的材料,在止血的同時還可增加藥物緩釋,是不同需求止血材料的良好載體。不同種的硅藻在顯微鏡下形態(tài)各異,但其結(jié)構(gòu)上都帶有納米級別的小孔,這種中空且內(nèi)部空間大的孔隙結(jié)構(gòu)增加了與血液結(jié)合的表面積,可吸收更多的液體,如圖1～圖4所示。

圖1 Psammodictyon sp.的掃描電子顯微鏡圖像Fig.1 Scanning electron microscope image of Psammodictyon sp.

圖2 Parlibellus harffiana的掃描電子顯微鏡圖像Fig.2 Scanning electron microscope image of Parlibellus Harffiana

圖3 Navicula sp.的掃描電子顯微鏡圖像Fig.3 Scanning electron microscope image of Navicula sp.

圖4 Navicula cf. perminuta的掃描電子顯微鏡圖像Fig.4 Scanning electron microscope image of Navicula cf. Perminuta

硅藻除了本身的結(jié)構(gòu)特征外,還有利于凝血。①良好的生物相容性。Stefano Managò[23]通過拉曼成像,研究了硅藻土(DNPs)中獲得的多孔生物二氧化硅納米顆粒與人肺表皮樣癌細(xì)胞(H1355)共孵卵72 h,DNPs存活可達(dá)72 h且不會損害細(xì)胞活力或形態(tài)。②超親水性和超親血性。Jeehee[24]等使用由Melosiranummuloidese制備的硅藻硅石發(fā)現(xiàn),硅藻果形的血液接觸角(t=0 s時69.55±8.95)在10 s后接近0。接觸角的測量是最有力的技術(shù)之一,可闡明單一的最頂層固體和液體的相互作用,從而證明硅藻介孔硅具有超親水性[24]。利用紅外光譜(FTIR)實(shí)驗進(jìn)一步證實(shí)了硅藻中含有豐富的硅醇基團(tuán),硅藻微球最外層的二氧化硅層表現(xiàn)出較強(qiáng)的陰離子電荷,血清蛋白通過電荷橋接機(jī)制與硅藻表面的高度陰離子緊密結(jié)合,表現(xiàn)出硅藻生物硅具有超親血性。這些特殊的物理化學(xué)性質(zhì)加強(qiáng)了生物硅的止血作用。

3 硅藻生物硅的止血應(yīng)用

目前,生物硅作為止血材料的應(yīng)用有很多。有學(xué)者通過反復(fù)實(shí)驗驗證了其物理化學(xué)性質(zhì),利用動物對其溶血性、凝血性、細(xì)胞毒性、在體內(nèi)體外的止血效果構(gòu)建出血模型,以開發(fā)出不同的止血材料。Feng[21]等證實(shí)了硅藻(Coscinodiscussp.)生物二氧化硅在止血方面的有效性,通過鼠尾截肢實(shí)驗發(fā)現(xiàn),硅藻的凝血時間(160.78±28.56 s)遠(yuǎn)短于紗布的凝血時間(510.26±63.22 s)。Wang[18]等研究了Thalassiosiraweissflogii、Thalassiosirasp.和Cyclotellacryptica的止血效果,通過強(qiáng)酸洗滌純化硅藻獲得純凈外殼,結(jié)果表明,硅藻具有優(yōu)良的止血效果和良好的生物相容性及較低的細(xì)胞毒性。復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使其具有最高的BET比表面積及液體吸收性能,在體外和體內(nèi)均表現(xiàn)出優(yōu)異的止血能力。通過測試不同的硅藻發(fā)現(xiàn),尺寸越小,凝血因子與材料之間的界面反應(yīng)越強(qiáng),因此細(xì)胞大小與液體吸收能力對止血效果有顯著影響,測得T. weissflogii在體外凝血中表現(xiàn)出最短的止血時間為(158±8.19 s)[18]。Yanqing Luo[25]通過顯微鏡和結(jié)構(gòu)表征觀察到硅藻(Naviculaaustraloshetlandicasp.)有特殊的有序多孔網(wǎng)(6～8 nm)亞結(jié)構(gòu)及表面積(401.45 m2/g-1),低溶血率(<1.55±0.06%)表明其具有良好的血液相容性。與殼聚糖相比,殼聚糖的凝血時間短(134.99±7.00 s)是因為其表面含有豐富的羥基官能團(tuán)[25]。Naviculaaustraloshetlandicasp.是一種有前途的可持續(xù)生物硅來源。硅藻外殼表面的硅醇基團(tuán)雖然可能引起溶血活性,但適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)表面修飾可以屏蔽-OH的暴露,為所需的官能團(tuán)、蛋白質(zhì)及分子提供錨定,還可以與養(yǎng)殖廢水共同栽培,用于生產(chǎn)醫(yī)療止血材料。

為了提高止血性能,對硅藻殼進(jìn)行了各種改性,將硅藻殼與凝血因子結(jié)合應(yīng)用于凝血途徑中。Li[20]等制備了硅藻顆粒,與凝血因子中的重要成分鈣雜交,在大鼠斷尾模型中,固有的凝血通路通過富含硅醇基團(tuán)和鈣的生物硅鈣的獨(dú)特界面,得到明顯強(qiáng)化,使出血得到快速控制,Ca-biosilica的凝血時間為88.34±28.54 s[20]。Mu[26]利用聚多巴胺層作為連接體,將凝血酶固定在硅藻生物硅表面,制備了一種高效的復(fù)合止血材料(DA-diatom-T),保留了硅藻的多孔結(jié)構(gòu),使其具有具良好的吸水性,可吸收自身重量31倍的水,凝血酶活性高達(dá)5.81 U/mg,室溫下30 d內(nèi)可維持在67%。DA-diatom-T對小鼠成纖維細(xì)胞沒有毒害作用,具有良好的血液相容性及快速促凝的能力,可促進(jìn)凝血過程的啟動,增加血小板活性與血凝塊強(qiáng)度,在傷口處形成物理屏障。在體內(nèi)研究中,DA-diatom-T可顯著縮短凝血時間,減少出血量[26]。

還有學(xué)者將硅藻與殼聚糖進(jìn)行復(fù)合,得到了一些成果。Li和Han等用殼聚糖包被硅藻殼[21],優(yōu)化后制備的殼聚糖-硅藻不僅能快速有效地吸附液體,還能誘導(dǎo)紅細(xì)胞的吸附和聚集。殼聚糖包被的硅藻在10 mg/mL下的最短凝固時間為248±32.42 s,比同等濃度下的裸硅藻短250 s,其外殼可顯著激活凝血級聯(lián)的內(nèi)在途徑,促進(jìn)血液凝血,實(shí)現(xiàn)體內(nèi)外出血控制。Zhang[27]研究了一種基于羥基丁基殼聚糖(HBC)與硅藻生物硅(DB)的出血控制復(fù)合海綿(H-D),它呈分層多孔結(jié)構(gòu),具有良好的生物相容性(溶血率<5%),無細(xì)胞毒性,液體吸收速度快(是本身的11～16倍),具有有效的止血作用。實(shí)驗表明,H-D能提供較強(qiáng)的界面效應(yīng),誘導(dǎo)紅細(xì)胞吸收聚集,激活凝血內(nèi)在途徑,從而加速凝血[27]。Sun[28]將烷基化殼聚糖(AC)與硅藻生物硅(DB)聯(lián)合,開發(fā)了安全有效的止血復(fù)合海綿(AC-DB海綿),用于出血控制。AC-DB海綿由于具有促凝劑的化學(xué)結(jié)構(gòu),在體外表現(xiàn)出快速的止血能力,具有良好的生物相容性(溶血率<5%),沒有細(xì)胞毒性,其與血液之間強(qiáng)烈的界面效應(yīng)引起紅細(xì)胞及血小板的活化、變形與聚集、凝血固有途徑的激活,令凝血顯著加速。它還具有良好的體內(nèi)評估性能,具有最短的凝血時間(106.2 s)和最小的失血量(328.5 mg)[28]。

利用硅藻的多孔性質(zhì),與其他止血因子聯(lián)合,可使凝血時間縮短,減少失血對機(jī)體的傷害。實(shí)驗結(jié)果表明,硅藻止血材料的止血效果較好,能快速吸收血漿,增加血細(xì)胞與血小板濃度,激活固有的凝血途徑,在體外對細(xì)胞無明顯的細(xì)胞毒性,具有良好的血液相容性。

4 結(jié)束語

目前,市面上還沒有理想的止血劑,需不斷改進(jìn)皮膚及血管止血劑。硅藻具有獨(dú)特的3D二氧化硅結(jié)構(gòu),是新一代生物材料研究的重點(diǎn),其性能是合成多孔二氧化硅材料無法實(shí)現(xiàn)的。硅藻殼具有獨(dú)特的高比表面積分級多孔結(jié)構(gòu)與可定制的表面改性及高生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性,已成為一種新型、低成本的生物醫(yī)學(xué)支架。雖然硅藻二氧化硅材料已被EPA、USDA及FDA批準(zhǔn)用于食品工業(yè)與農(nóng)業(yè),但是其作為藥物添加劑與載體還沒有得到批準(zhǔn)。研究表明,硅藻二氧化硅具有良好的生物相容性及較低的細(xì)胞毒性,在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有巨大的潛力。