大多数创伤都伴有急性出血。止血对于缓解疼痛和降低此类事故的死亡率至关重要。近年来，包括无机、蛋白质基、多糖基和合成材料在内的传统止血材料在临床上得到了广泛应用。其中最突出的是可生物降解的胶原海绵（Helistat®，美国）、明胶海绵（Ethicon®、SURGIFOAM®，美国）、壳聚糖（AllaQuixTM、ChitoSAMTM，美国）、纤维素（Tabotamp®、SURGICEL®，美国）以及新研究的细胞外基质凝胶等。尽管这些材料具有出色的止血性能，但它们也各有优缺点。在这篇综述中，介绍了上述各种生物材料的性能特点、止血效果、应用和止血机制，随后还介绍了几种改善止血效果的策略，包括单种材料的改性、多种材料的混合、自组装肽的设计及其杂化材料。最后，对更多新型止血生物材料及其相关凝血机制的探索，对于未来止血方法的研究至关重要。
简介
战争、意外、创伤以及手术过程中导致的无法控制的出血是手术中的一大难题。若不能及时有效地止血，患者往往面临并发症甚至生命危险。例如，军队中 50%的死亡是由大量出血造成的，其中 80%源于无法压迫止血的伤势。此外，药物引起的副作用、先天性或疾病相关的疾病，如凝血因子缺乏和血小板功能障碍，也可能导致大量出血。对于外部创伤或病变的止血治疗，传统方法有两种：压迫止血和药物促凝止血。这两种方法都能有效止血，但也有不足之处，比如压迫止血仅适用于血管出血，药物止血只能作为辅助手段。对于无法压迫止血的出血，通常会输注全血或血液成分（红细胞、血浆和血小板），对于某些特定患者还会使用纤维蛋白原浓缩物或重组凝血因子。然而，全血及其成分的来源有限。除此之外，血液的保质期短，存在较高的病理性污染或免疫原性风险，且携带不便。因此，开发能够快速止血的新止血生物材料是提高血流动力学稳定性、避免输血副作用的关键问题。
了解血液凝固机制是止血生物材料的前提。血液凝固过程包含两个步骤。首先，血管收缩，血小板黏附并聚集形成止血栓，实现初步止血。然后，血液凝固级联反应启动血浆凝固，纤维蛋白网络强化血小板血栓，实现第二阶段的有效止血。因此，成功止血的关键由两部分组成：一是凝血级联反应，二是血小板活化。在凝血级联反应中，凝血因子 X 的激活影响凝血酶的生成，这直接决定了血液凝固。血小板活化影响止血栓的形成，它还激活凝血酶原以实现血液凝固。
到目前为止，市场上出现了大量的止血材料。例如，α-氰基丙烯酸酯和明胶，它们通过物理封堵伤口或压迫血管来止血。还有一种止血生物材料，能形成纳米或微米级孔隙，如沸石、介孔二氧化硅等，以及像明胶和淀粉这样的生物聚合物材料，它们在物理或化学作用下浓缩血液中的某些成分，加速凝血因子的激活从而止血。还有一些止血生物材料能直接激活凝血因子或血小板来启动凝血级联反应，比如壳聚糖、海藻酸、氧化纤维素和纤维蛋白胶。壳聚糖附着在伤口上，能激活血液中的血小板和补体系统。海藻酸与钠离子反应后能激活凝血因子。氧化纤维素在血液中迅速溶解后能激活多种凝血因子并聚集血小板，而纤维蛋白胶能迅速启动内源性凝血系统。
然而，一些止血生物材料存在以下风险：1）红细胞可能会溶血并释放血红蛋白，导致贫血或肾衰竭；2）血液中的血小板、白细胞和补体等血浆成分可能会被激活，从而同时引发血液凝固和炎症反应。因此，合格的止血生物材料应具备以下特点：1）良好的生物相容性，无毒，无抗原性和无炎症；2）合适的弹性，良好的透气性和透水性；3）感染概率低，组织相容性好，止血迅速。在这篇综述中，总结了各种止血生物材料，包括其特点和凝血机制、止血生物材料的发展和应用以及优化止血生物材料的策略。
各种止血生物材料的特性及应用
天然衍生生物材料
在古代，人们使用草药、油脂类物质以及用沙子处理过的动物皮作为止血药物。随着生物技术的进步，天然聚合物被引入作为止血剂，这些天然衍生的生物材料具有良好的生物相容性，主要包括基于蛋白质的止血生物材料、基于碳水化合物的止血生物材料和无机止血生物材料。基于蛋白质的止血生物材料包括纤维蛋白胶、胶原蛋白和明胶，基于碳水化合物的止血生物材料包括纤维素基止血生物材料、壳聚糖、多糖和海藻酸钙纤维；无机止血生物材料主要包括沸石、高岭土、蒙脱石等（表 1）。
无机止血生物材料
沸石、高岭土、蒙脱石等均为分子筛生物材料，已被应用于止血。沸石已获美国食品药品监督管理局（FDA）批准，可用作临床止血的局部止血剂。第一代 Quikclot 产品的主要成分是沸石，将其应用于伤口部位时，会因吸收水分而产生明显的放热效应。因此，早期分子筛止血材料的研发主要集中在减少其放热反应上，并开发出了相应的产品，即 Quik Clot Sport Silver。与其他止血剂相比，由于不能在短时间内止血，可能会导致更广泛的出血。此外，长期残留在组织中的沸石可能会引起慢性炎症。因此，在伤口闭合前应进行彻底清创。研究人员一直在通过各种方法改进沸石的止血性能，并已取得成果。据报道，mCHA-C（介孔沸石CHA-棉）通过棉表面诱导生成凝胶颗粒，这些颗粒可进一步发展为最终的纤维结合型CHA沸石，或者它们自组装结晶形成介孔CHA沸石晶体（图 1），从而具有更好的止血效果。基于蒙脱石和高岭土这两种生物材料，开发出了相应的止血产品，即 Wound stat 和 Combat Gauze。然而，这些产品仍存在诸多不足，它们无法对动脉出血起到止血作用。更重要的是，这些材料在凝血功能障碍患者身上效果不佳，还可能引发一些问题，如毒性、组织炎症和栓塞。李全等人（2016 年）开发了一种石墨烯-蒙脱石复合海绵（GMCS）来解决这些问题（图 2A）。通过以下方面证实其具有良好的止血效果（图 2B）：1）海绵快速吸收血浆；2）将血液集中在海绵表面；3）蒙脱石激活凝血因子；4）加快血液凝固速度，从而实现超快速止血。
图 1. 用于止血的无机生物材料。（A）上：现场和溶液中产物形成过程的示意图。左：mCHA-C 的照片。mCHA-C（中）和棉布上的 mCHA 沸石（右）的扫描电子显微镜图像。（B）止血剂的体内止血能力评估。在兔股动脉损伤模型中止血时间（左）和失血量（中）的定量分析。右：mCHA/T 恤的图像。在兔致命股动脉损伤处用棉（左）、CG（中）或 mCHA-C（右）进行手动按压评估止血情况。
此外，蛋白质基和多糖基生物材料在止血方面各有优势。研究人员开发了一种 OBC/CS（氧化细菌纳米纤维素/壳聚糖）和 OBC/COL/CS（氧化细菌纳米纤维素/胶原蛋白/壳聚糖）海绵，并在大鼠肝脏创伤模型中证实了其止血作用（图 2C）。
图 2. 天然衍生生物材料在止血中的应用。（A）GMCS 的制备路线和微观结构示意图。GMCS 首先通过水热反应利用氧化石墨烯片、EDA 连接剂和蒙脱土粉末合成。然后，经过冷冻干燥和膨化处理，获得最终产品。放大后的微观结构图像显示蒙脱土固定在层状石墨烯中。（B）GMCS 结构及其潜在协同止血作用示意图。（i）蒙脱土片由于其有序和无序的晶体结构分别具有永久的负表面电荷和正边缘电荷。其粉末可通过内部水合作用和外部激活血液凝固来刺激血液原位凝结。（ii）交联的石墨烯片由于 EDA 连接剂而具有正表面电荷，并且由于固有的羧基而具有永久的负边缘电荷。所得的 CGS 可快速吸收血浆，增加血细胞和血小板的浓度。（iii）蒙脱土通过丰富的相互作用（如氢键和静电相互作用）固定在 GMCS 中。（C）OBC、OBC/CS 和 OBC/COL/CS 止血海绵的合成示意图。
基于蛋白质的止血生物材料
纤维蛋白胶
目前市场上有多种纤维蛋白封闭剂，其中大多数由凝血酶、纯化的人或牛纤维蛋白原、凝血因子 XIII 组成，以模拟生理凝血过程。可吸收纤维蛋白胶由纤维蛋白原、凝血酶、抑肽酶和氯化钙组成，是止血中效果最佳且应用最广泛的纤维蛋白封闭剂。纤维蛋白胶具有良好的止血性、黏附性和组织相容性等优良特性，能有效减少手术中的失血量和输血量。目前，纤维蛋白胶已应用于临床肿瘤切除术后伤口的大面积出血以及肝、肾等实质器官的出血。此外，由于其含有凝血酶，纤维蛋白胶可用于凝血功能异常的患者。然而，由于其黏附性和促凝血作用，纤维蛋白胶不能用于血管出血，以免血栓形成阻塞血管。此外，由于其复杂的操作流程以及不便的储存和运输条件，纤维蛋白胶也不适用于紧急情况。而且，纤维蛋白胶还存在一些缺点，比如成本高昂、有可能感染人或动物的血液传播疾病以及对大血管止血效率低，这些都限制了其应用范围。
胶原蛋白
胶原蛋白具有良好的生物降解性、生物相容性、细胞黏附性、无毒性和低抗原性等优异性能。作为一种止血生物材料，胶原蛋白通常被制成多孔或纤维状海绵，有利于各种伤口的止血以及几乎所有手术中的止血发生。胶原蛋白海绵尤其适用于手术中难以进行结扎的局部出血、脆弱组织或血管丰富部位的出血以及大面积软组织渗血。然而，由于胶原蛋白的止血需要血小板的活化，因此不能用于血小板减少症患者，但它对肝素化引起的出血仍有良好的止血效果。总体而言，胶原蛋白不仅存在机械强度低、生物降解速率不可控、变异性大、潜在致病风险等缺点，而且作为一种外来蛋白质，增加了感染和过敏反应的机会。过度肿胀可能导致神经受压和损伤。这些缺点限制了胶原蛋白作为止血生物材料的应用。
明胶
明胶基生物材料不仅可被组织细胞吸收，而且无毒无抗原性，不会导致过多的瘢痕组织或细胞反应。因此，它可用于治疗各种伤口和创伤，尤其是来自实体器官的贯通伤。但由于其容易引起压迫性并发症，所以不能用于狭窄空间或靠近神经结构的地方。明胶海绵和明胶纤维在止血方面最为常见。明胶海绵（GS）是一种多孔海绵，能吸收自身重量约 45 倍的血液。此外，明胶泡沫的多孔结构有利于成纤维细胞的聚集和增殖，它们沿着明胶泡沫形成新的肉芽组织，并迅速填充腔隙和窦道。然而，明胶海绵与血液形成的凝胶是可溶的，因此上述止血状态和结构容易被破坏。而且，它对血小板等止血成分的牵引力差，在伤口表面的黏附能力也差。因此，明胶泡沫的止血效果不佳。
多糖止血生物材料
纤维素
氧化纤维素（OC）和氧化再生纤维素（ORC）是局部止血生物材料，外观和质地类似棉线，可生物降解。它们质地柔软、薄且具有良好的组织相容性，适合包装、应用、填充等操作。与伤口紧密接触时，血液中的凝血成分可聚集在其周围，2-8分钟内即可完成止血。临床上常用的可溶性止血纱布（Surgice1）是一种再生氧化纤维编织纱线，属于羧甲基纤维素止血材料。由于其溶解缓慢，通常在3-6周内被吸收，常用于手术伤口出血以及难以止血的部位，如骨出血等。此外，它对毛细血管、小动脉和静脉出血也有良好的止血效果。而且，Surgicel还能将伤口局部pH值降至酸性，具有一定的抗菌作用。
然而，使用此类止血生物材料的前提是患者必须具备完整的凝血功能。在缺乏凝血因子的情况下，此类止血生物材料激活血小板的作用会显著减弱。除此之外，Nagamatsu 等人（1997 年）在神经病变形成的研究中发现，氧化纤维素产生的强酸性环境可通过弥散化学机制导致神经损伤。改良的氧化纤维素止血效果更好，不良反应更少，但仍不适合用于周围神经丰富的伤口治疗。
壳聚糖
壳聚糖是甲壳素脱乙酰化的主要衍生物，是自然界中罕见的碱性多糖。壳聚糖具有优良的特性，如与人体细胞有良好的亲和性、无排斥反应、良好的生物相容性和生物降解性，并具有止血作用。它还具有以下特点：1）促进透明质酸和其他糖胺的分泌，2）加速伤口愈合，3）抑制多种细菌和真菌的生长，4）提高生物材料的机械性能等。因此，壳聚糖无菌纱布、壳聚糖涂层纱布和壳聚糖止血海绵等各类医用材料在临床实践中得到应用。壳聚糖的凝血机制不依赖于凝血因子和血小板，因此可用于凝血病患者。然而，由于壳聚糖止血效果有限，在广泛出血的伤口中效果不太理想。因此，通常会采用与其他止血剂（如凝血因子和氯化钙）复配的方法。
淀粉
微孔多糖半球体（MPH）和Per Clot 是从植物淀粉中提取并进一步加工而成的微孔多糖止血产品。不含多肽或蛋白质的 MPH 不仅能迅速脱水使血液凝结，防止血液渗出，而且能在体内迅速降解和吸收。同时，由于 MPH 蛋白质含量低，局部组织反应弱，很少引起异物反应，降低了使用过程中的感染风险。作为一种止血剂，微孔多糖具有自身优势：1）有效减少出血量和输血量；2）最大限度降低血液传播感染率；3）减少血清肿形成；4）对伤口愈合无免疫、过敏反应及毒副作用。此外，这些生物材料不会进入血管，以免形成栓塞。
海藻酸钙纤维
海藻酸钙纤维是一种从海藻中提取的纤维状多糖，具有吸湿性、凝胶性、良好的生物相容性以及可燃性和电磁屏蔽性。由于其出色的黏附性，它适用于填充伤口，尤其是内窥镜手术后深而宽的手术腔。重要的是，形成的凝胶材料不会粘附在手术腔内，有利于修复鼻黏膜上皮。
合成来源的止血生物材料
合成止血剂通常由氰基丙烯酸酯、聚氨酯和聚乙二醇制成。由于它们具有低免疫原性，并且能够定制其化学性质以刺激促凝机制，因此在各种止血手术中得到广泛应用。然而，这些止血剂产生的有毒副产物会聚集并降解，导致局部刺激和炎症（表 1）。
基于聚合物的止血生物材料
聚乙二醇
聚乙二醇（PEG）是一种合成聚合物，可溶于水和有机溶剂，因此能与细胞内和细胞外空间相互作用，为细胞浸润和生长提供有利环境。它在生物医学工程中得到了广泛应用，例如神经再生、关节软骨和膀胱组织再生。
有一些优点，例如，完全无感染疾病风险、批次间稳定性好、价格低且可批量制备。此外，由四异氰酸酯衍生的聚乙二醇和四硫醇衍生的聚乙二醇制成的止血液态密封剂能够通过与组织交联并封闭出血点来止血。商业产品 AdvaSeal® 也是通过聚乙二醇与聚α-羟基酸二丙烯酸酯共聚而开发的。此外，基于聚乙二醇的止血生物材料在手术止血方面得到了广泛应用，例如聚（亚烷基氧化物），如聚（环氧乙烷）（PEO）和聚（环氧丙烷）（PPO）。例如，王等人和 Wellisz 等人报告称，一种基于PEO-PPO-PEO嵌段共聚物的蜡状材料Ostene®在骨科手术中具有出色的止血效果。
聚氰基丙烯酸酯
尽管α-氰基丙烯酸酯在低浓度时对组织有毒性，但其中一些已在临床上得到广泛应用，例如氰基丙烯酸正丙酯、氰基丙烯酸正丁酯、氰基丙烯酸正辛酯。并且已证实它们无毒、无致癌性，具有良好的组织相容性和显著的止血效果。据报道，由氰基丙烯酸正辛酯和乳酰-2-氰基丙烯酸正丁酯组成的Omnex®能够止血。此外，由氰基丙烯酸正丁酯和甲基丙烯酸氧硫环己烷制成的Glubran®和Glubran2®具有抑菌和止血的特性。对于大动脉出血的伤口，首先在近端静脉处放置止血带以暂时止血，然后擦拭伤口上的血液后喷洒α-氰基丙烯酸酯组织胶。这是一种理想的止血方法，止血成功率高且副作用小。目前，α-氰基丙烯酸酯可广泛用于吻合、伤口止血、伤口粘连和肌腱。然而，这类止血材料可能会导致血管栓塞，并且在降解过程中会释放出诸如氰化物和甲醛之类的有毒物质，这可能会引发注射部位周围的炎症和组织坏死。
自组装肽作为止血生物材料
在生理条件下，自组装肽能够通过非共价键自发且有规律地形成稳定的二级结构，然后进一步堆叠成纳米纤维，形成含水量超过99%的水凝胶支架结构。自组装肽具有出色的性能，如可编程性、良好的粘弹性、良好的生物相容性、低免疫原性和低成本。此外，在没有传统止血方法（如加压、烧灼、血管收缩、凝血和交联剂）的帮助下，它能够在脑、脊髓、肝脏、股动脉和皮肤伤口等领域实现完全且快速的止血。
RADA16-I（Ac-RADARADARADARAD-NH2）经过了深入研究，并被广泛用作一种自组装止血生物材料。RADA16-I 的单体尺寸约为 5 纳米长、1.3 纳米宽和 0.8 纳米厚（图 3A）。RADA16-I 样品能够自发组装成长度从几百纳米到几微米不等的纳米纤维（图 3B），并形成无色透明、玻璃状且可制成各种几何形状的水凝胶（图 3C）。原子力显微镜（AFM）的结果表明，RADA16-I 能够以稳定且可重复的方式形成长度达数百纳米的长自组装纳米纤维（图 3D）。Masuhara、Fujii 等人（2012 年）通过兔腹主动脉穿刺出血模型证实了 RADA16-I 的止血效果，并测试了低浓度水凝胶静脉注射的安全性。它具有类似于细胞外基质（ECM）的三维结构，有助于细胞黏附、增殖和分化，欧洲认证的含此生物材料的商品名为 Pura Stat，已应用于临床止血。据报道，RADA 不仅能阻止脑部、脊髓、股动脉和肝脏的创伤性出血，而且还能在肝素化和非肝素化动物中迅速实现止血，解决了手术中和术后使用抗凝药物所引发的一系列出血问题。
图 3. RADA16 在止血中的应用。（A）RADA16-1 的分子模型；（B）众多 RADA16-1 自组装形成纳米纤维的分子模型，其中疏水性丙氨酸夹在内部，亲水性残基位于外部；（C）RADA16-1 凝胶化为水凝胶。经（Wang 等人，2012 年）许可，从版权 2012 年复制。（D）超声处理后不同时间点 RADA16-I 纳米纤维的原子力显微镜图像。注意随着时间的推移肽纳米纤维的伸长和重新组装。
小松、长井等人（2014 年）设计了一种中性（pH 值为 6.5 至 7.5）的自组装肽水凝胶，名为 SPG-178（RLDLRLALRLDLR），其能够在左肝叶实现快速止血。阮、张等人（2009 年）设计了一种两亲性自组装短肽（PSFCFKFGP），在高浓度下主要自组装成球形聚合物，然后通过纳米纤维体形成含水量超过 99%的水凝胶。止血对比实验的结果表明，1%短肽水凝胶组的止血时间比纱布组和壳聚糖组短。库马尔、泰勒等人（2014 年）设计了一种胶原蛋白模拟肽，名为 KOD（(PKG)4(P-Hyp-G)4(D-Hyp-G)4），由 36 个氨基酸组成。KOD 可自组装成三螺旋纳米纤维，进而形成纳米纤维水凝胶，已被证明能够凝固全血、减少出血，并显著激活血小板。
这些自组装肽具有一定的止血特性：1）当与体液中的电解质接触时，自组装肽开始自组装并形成孔径为 50-200纳米的网状水凝胶结构，能够迅速填充并贴合不规则伤口，进而形成纳米纤维屏障，防止细胞和体液渗出。2）高浓度的短肽能够自组装出更多的纳米纤维，更有利于血液凝固。此外，在含有红细胞的血液中，离子和电荷能够加速短肽自组装成纳米纤维。3）自组装肽水凝胶是一种无色透明的生物支架，能够清晰地观察到伤口内部的止血情况。4）自组装肽水凝胶的弹性模量过高或过低都无法达到最佳止血效果。只有当短肽水凝胶紧密贴合伤口时，才能更好地承受血管脉动，发挥最大的止血效果。5）自组装肽水凝胶的降解产物是天然的 L 型氨基酸，可被周围组织吸收用于修复。因此，热门话题之一是开发具有抗菌特性和止血效果的多种自组装肽。
止血生物材料的作用机制
当最有效的止血生物材料接触血液时，存在三种止血机制（图 4）。1）物理止血：生物材料吸收血液中的水分，导致血液黏度和浓度增加，从而减缓血流；或者生物材料吸水膨胀后覆盖伤口表面，止血。2）化学止血：负离子的存在可迅速结合或聚集红细胞和血小板，从而释放与血液凝固相关的因子，加速血液凝固。3）生理止血：生物材料能迅速激活凝血因子 II、V、VII、X 和 XII，激活内源性凝血系统，并与凝血酶形成不溶性纤维蛋白聚合物，从而实现止血。
图 4. 具有不同机制的止血生物材料。
一些止血生物材料通过特定机制实现止血目的，例如沸石、纤维蛋白胶和聚合物。沸石的止血机制在于其在出血部位迅速吸水，从而浓缩血小板和凝血因子，同时吸水产生的热量加快了血小板的聚集速度和能力，显著提高了大面积和严重创伤患者的存活率。沸石不含任何生物成分，具有稳定性好、使用方便、无生物毒性、无疾病传播等优点。纤维蛋白胶的止血机制在于凝血酶将纤维蛋白原分解为纤维蛋白，从而导致血液凝固，而抑肽酶抑制血凝块的溶解，使血凝块在伤口上更稳定，从而实现止血。这种聚合物止血剂通过填塞的机械作用实现止血目的，而非通过生化增强凝血机制。它们本身没有止血效果，但可通过物理封闭、机械屏障和伤口闭合来实现止血。
此外，止血生物材料通过不止一种机制实现止血目的，例如胶原蛋白、明胶。胶原蛋白主要通过以下三个方面发挥止血功能：1）激活部分凝血因子生成凝血酶，凝血酶将纤维蛋白原分解为纤维蛋白；2）使血小板聚集形成血栓，防止出血；3）附着在伤口上，机械性压迫受损血管，起到填塞作用。明胶作为一种物理基质，影响凝血启动。当它与血液接触时，明胶会膨胀并产生缓冲作用。明胶海绵的止血机制相对简单，即为血小板提供附着表面，并刺激血小板因子的释放。明胶纤维（GF）是一种由明胶海绵和枫叶提取物制成的非织造止血生物材料，能够促进血小板黏附和聚集，从而加速止血。此外，明胶纤维具有致密的网状结构，内部有不均匀的松散空间，这扩大了与血液的接触面积，使血小板更易附着并聚集在纤维上，有利于形成白色血栓，从而实现快速止血。由于明胶纤维具有很强的吸附性，能够附着在伤口表面，因此在体内深处的止血效果比明胶海绵更显著。
多糖止血生物材料通过不同的机制达到止血目的，例如纤维素、壳聚糖、明胶海绵（MPH）和海藻酸钙纤维。氧化纤维素和氧化再生纤维素通过两个方面实现止血目的：一方面，纤维素中的羧基与血红蛋白中的 Fe3+ 结合形成粘性凝胶块，封堵受损的毛细血管，从而止血；另一方面，通过黏附和聚集血小板，激活机体的凝血机制，加速血液凝固。据报道，壳聚糖中的正电荷分子能与血液中的负电荷有形成分（如红细胞、白细胞和血小板）结合，形成细胞栓子或血栓，从而发挥凝血作用。特别是由于壳聚糖中的氨基具有亲水性，能吸附更多的纤维蛋白原，从而促进血栓形成。明胶海绵（MPH）的机制包括两个方面。一种是当生物材料置于出血伤口处时，颗粒迅速吸收血液中的水分，使血液中的成分如血小板、红细胞和凝血因子浓缩，形成凝胶状混合物，从而起到即时止血的作用。另一种是生物材料能加速内源性凝血因子的活化，形成坚固的局部血凝块，缩短凝血时间。海藻酸钙纤维已被报道具有很强的止血效果。当海藻酸钙纤维与血液和伤口分泌物中的钠盐接触时，能吸收自身重量15至20倍的血液，并转化为凝胶物质，同时释放钙离子以止血。
生物材料中的止血策略
单一止血生物材料的优化
近年来，各种止血材料不断涌现，但在手术中实现止血仍是一项巨大挑战。不同类型的止血生物材料各有其不足之处，影响止血效果。例如，尽管纤维蛋白封闭剂能有效促进血液凝固，但仍存在传播病毒性感染的潜在风险。纤维素产品的酸性可能会对周围组织和伤口愈合产生副作用。基于胶原蛋白的止血剂容易引起过敏反应，以及由于过度肿胀导致的神经压迫和损伤。无机止血剂由于生物降解性差，可能会引发异物反应。因此，许多研究人员现在致力于优化生物材料的性能。止血生物材料的最佳方法是：1）通过交联技术等改变机械性能，使生物材料更适合止血应用；2）能够通过基因工程技术优化某些蛋白质的核苷酸序列，并进行重组表达，从而获得一种新型蛋白质，这种蛋白质具有新的优良特性，能够克服生物材料固有的缺陷。
通过交联对生物材料进行改性
为了克服材料的一些缺陷，有必要从本质上对材料进行改性。以胶原蛋白为例，尽管基于胶原蛋白的止血生物材料具有很大的优势，但单纯胶原蛋白的缺点限制了其止血应用，例如机械性能差、生物降解速率不可控、变异性大等。如今，交联技术常被用于改变胶原蛋白的物理性质。物理交联的方法简单，细胞毒性低，主要包括热干交联（DHT）和紫外线交联。
然而，与物理交联相比，化学交联能更好地控制结构，并能改善胶原蛋白的一些性能，如拉伸强度、柔韧性、机械性能、生物降解率和热稳定性。主要的化学交联剂包括醛类、二羧酸、京尼平、碳二亚胺、柠檬酸衍生物、壳聚糖和聚乙烯醇。通过化学交联方法对罗非鱼皮胶原蛋白海绵进行改性后，海绵表现出更优异的性能，如机械性能、断裂伸长率和胶原酶降解性能。因此，它是一种具有生物相容性的理想医用止血材料。据报道，通过用醛类化学改性可溶性胶原蛋白制成的胶原蛋白-棉网提高了胶原蛋白的亲水性和止血性能。陈、张等人（2016 年）设计了一种两亲性短肽，称为 I3QGK，它结合了短肽的自组装过程和转谷氨酰胺酶（TGase）的催化作用，并将其应用于止血。它能够形成具有良好机械性能的水凝胶，并能通过使血液凝胶化和促进血小板黏附来有效止血。交联技术的发展也非常重要。尽管化学交联剂能够形成较强的键，但大多数具有细胞毒性。因此，用化学交联剂制备的胶原止血海绵的质量和生物相容性往往不尽人意。目前，在止血生物材料的制备中，酶交联法因其条件温和且生物相容性良好而被广泛采用。
用于优化生物材料的基因工程
交联技术能够改变生物材料的某些特性，使其更适合止血，但无法消除生物材料的所有缺点。例如，天然胶原蛋白大多从动物中提取，存在病原体传播的潜在风险，且批次间稳定性差。然而，通过基因重组表达的蛋白质能够克服上述缺陷，还能实现低成本的大规模蛋白质生产。因此，在优化天然胶原蛋白核酸序列的基础上，通过基因重组技术获得了类人胶原蛋白，其具有良好的生物相容性和生物降解性。基于此，采用谷氨酰胺转胺酶交联和两步冷冻法，制备了一种新型止血海绵，在耳动脉模型和肝损伤模型中均表现出良好的生物相容性和显著的止血效果。
复合止血生物材料的制备
对于某些生物材料而言，通过交联技术或基因重组技术来强化生物材料的性能，从而更有效地止血是可行的。基于这一假设，将两种或多种生物材料结合起来，取长补短，从而达到更快速、更有效的止血目的或许更好（表 2）。
颜、程等人（2017 年）设计了一种新型的胶原海绵，结合了壳聚糖/焦磷酸钙用于止血。它具有双重止血效果：一方面，胶原蛋白吸附血小板并激活凝血因子，同时压迫小血管以止血；另一方面，壳聚糖的止血机制在于促进红细胞聚集形成红色血栓。此外，它不仅增强了止血效果，还解决了手术中腔隙填充的问题。明胶基质的 pH 值呈中性，因此可与其他止血剂配合使用，例如将壳聚糖与明胶混合的生物材料。这些生物材料兼具壳聚糖的优点，如良好的生物降解性、生物相容性、抗菌性和成膜性，以及明胶的优点，如低抗原性等。兰光谦、陆等人（2015 年）通过用单宁交联并真空冷冻干燥的方法制备了一种用于止血的壳聚糖和明胶复合材料。据报道，一种由丝素蛋白和明胶组合而成的双层止血生物材料已被研发出来。丝素蛋白织物用作不粘连伤口的非粘连层，而丝素蛋白/明胶海绵的生物活性层能够显著减小伤口面积，促进伤口愈合以及皮肤和胶原蛋白的形成。Shahverdi、Hajimiri 等人（2014 年）优化了丝素蛋白/聚乳酸（1:2）混合物的静电纺丝工艺，以制备混合膜作为慢性伤口的止血生物材料。由于介孔生物活性玻璃（MBGs）具有高孔隙率、高度有序的介孔通道结构、巨大的表面积和孔隙体积等独特特性，其具有出色的止血性能，如增强血小板聚集、血栓形成和血液凝固激活的能力。基于上述情况，一些研究人员还报道了 1% 镓掺杂介孔生物活性玻璃/壳聚糖（Ga-MBG/CHT）复合支架具有快速止血效果。研究人员通过简单地对包含聚乙烯醇、类人胶原蛋白和羧甲基壳聚糖的混合溶液进行反复冻融，制备了一种新型止血生物材料，其表现出良好的止血效果。由于聚二羟基丙酮（pDHA）在所有水溶液和几乎所有有机溶剂中均不溶，其在止血应用中的潜力受到限制。最近有报道称，一种由聚乙二醇（PEG）和 pDHA 制成的嵌段共聚物可作为一种有效且快速可吸收的止血剂，与其它止血剂相比，具有在体内停留时间短、炎症反应低以及感染风险小等优点。据报道，一种由壳聚糖基非织造布与重组巴曲酶（rBat）制成的高效止血剂，对血液凝固具有协同作用。此外，一些研究人员发现，高孔隙率的超声处理壳聚糖-明胶纳米纤维垫在某些方面具有协同效应，包括止血功能和伤口修复。戴元等人（2009 年）制备了掺杂钙银介孔二氧化硅球的止血生物材料，结果表明生物材料中的钙离子改善了止血性能。聚乙烯醇（PVA）有助于提高球体的溶胀度，并增强止血效果。为了充分利用 PVA 和壳聚糖，陈、刘等人（2017 年）通过静电喷雾和离子交联法制备了壳聚糖-PVA 球，有效减少了股动脉止血时的血栓形成。孙、唐等人（2017 年）制备了多孔壳聚糖/高岭土复合微球（CSMS-K），其止血性能优于壳聚糖多孔微球（CSMS），在相同时间内形成的血凝块比 CSMS 和 Celox 更大。名为 FloSeal® 的止血剂是一种基于牛胶原蛋白的明胶基质，含有微粒，使用时与戊二醛和人凝血酶溶液混合交联，在心脏手术中优于明胶海绵-凝血酶，并且在开放性肾切除术和腹腔镜手术中减少了出血。此外，库马尔、维克雷马辛赫等人（2015 年）还设计了一种自组装的短肽纳米纤维水凝胶 SLac（KSLSLRGSLSLSLKGRGDS），其本身就能为出血伤口提供物理屏障。巴曲酶是一种从蛇毒中提取的丝氨酸蛋白酶，能显著降低纤维蛋白原并促进纤维蛋白溶解。负载巴曲酶的 SLac 产生了一种名为 SB50 的载药水凝胶，增强了凝血作用。胡里、多甘特金等人（2016 年）将 ABS 止血剂与两亲性短肽（月桂基-VVAGK-Am）以 1：1 混合，获得了一种纳米止血剂，在部分肾切除术中发挥了出色的止血作用。
自组装肽的设计与融合
由于其稳定的凝胶化特性，自组装短肽RADA作为一种新型止血生物材料备受关注。然而，其较低的pH值（3.0-4.0）容易造成组织损伤，且生物活性不尽人意。鉴于此，研究人员不仅设计了多种类型的自组装短肽，还将其与其他肽或蛋白质融合，以获得新的止血生物材料。这为设计和制造更多止血生物材料提供了方法和思路。
基于 RADA16 的融合肽已逐渐应用于生物医学领域，因为基于 RADA16 的融合肽在保持 RADA16 原有功能的同时获得了新的功能。研究人员通过从天然活性肽中选择不同的功能序列并将其与 RADA16 相连，设计出了更出色的 RADA16 衍生止血生物材料。短肽 GRGDS 通过与多种整合素结合介导细胞黏附。层粘连蛋白 -1 的β1 链中出现的功能序列 YIGSR 显示出很强的细胞黏附、迁移和内皮管形成能力。因此，程、吴等人（2013 年）基于 RADA16 自组装短肽，分别将功能序列 GRGDS 和 YIGSR 相连，设计出了两种新型自组装短肽，即 RADA16-GRGDS 和 RADA16-YIGSR。
这些功能性肽大多为活性蛋白的小片段功能基序。因此存在一些难以克服的缺点：1）随着功能序列氨基酸数量的减少，活性蛋白的功能大大降低。因此，小片段功能基序难以充分发挥活性蛋白的功能。2）与 RADA16 融合的肽均为化学合成，合成和纯化多肽的成本相对较高。3）基因工程发酵是低成本获取药物蛋白的首选方法。由于 RADA16 和融合肽分子量相对较低且稳定性较差，即使在宿主细胞中通过基因工程进行过表达，也难以达到理想的浓度水平。因此，通常通过将 RADA-16 与其他蛋白质融合来提高表达产物的稳定性。杨伟等人（2018 年）通过基因重组将 RADA16 基因融合到编码弹性蛋白样肽（ELP）的开放阅读框（ORF）的 3' 端，构建了新的止血生物材料：36ELP-RADA、60ELP-RADA 和 96ELP-RADA。其中，96ELP-RADA 海绵膜表现出良好的止血效果。我们团队通过将人源化胶原蛋白与 RADA16 融合，然后对融合蛋白进行冷冻干燥，构建了一种新的止血海绵 HLC-RADA，在兔肝止血模型中表现出有效的止血作用。
用于止血应用的生物材料的灵活性
多种止血产品凭借其独特的优势在临床止血应用领域发挥着重要作用。然而，这些止血生物材料的应用往往受到诸多因素的限制，如出血量、出血部位以及生物材料不同的止血效果等。面对多种出血情况，一种生物材料可以制成包括颗粒、溶液、粉末、水凝胶、薄膜、纤维和多孔海绵在内的多种形式，并定制成不同的产品类型，如纱布、喷雾剂和可注射水凝胶。以壳聚糖为例，高粘度的壳聚糖溶液可注入血管，不仅能阻塞血管，防止血液流向毛细血管，还能有效避免感染。壳聚糖粉末可与纱布结合或制成喷雾剂，适用于大面积皮肤损伤但出血量小的紧急治疗。壳聚糖纤维不仅具有良好的细胞相容性和细胞黏附性，还有助于皮肤组织再生和抑制疤痕形成。壳聚糖多孔材料主要包括多孔微球、多孔纤维、多孔海绵或上述几种类型的止血材料的组合，其多孔结构有利于伤口分泌物的排出和组织愈合。壳聚糖水凝胶能够更好地与伤口接触，提供湿润环境以促进伤口愈合。Mi、Shyu 等人（2001 年）制备了一种新型不对称壳聚糖薄膜，其表面具有类似海绵的宏观多孔亚层，能够控制水分流失，具有出色的氧气渗透性，并促进体液排出。同时，由于存在致密的皮层以及脱乙酰壳聚糖固有的抗菌特性，它能够抑制外源微生物的侵入。此外，它具有更好的止血效果，能够加速伤口愈合。
此外，一些研究人员报告称，某些止血生物材料在接触出血伤口时，能够从某种类型的生物材料转化而来，或者增强其作用，从而更好地促进止血。例如，据报道，CEGP-003 是表皮生长因子（EGF）和羟乙基纤维素的混合物。鉴于羟乙基纤维素具有良好的粘附性和吸湿性，能够将粉末转变为粘性水凝胶，从而通过形成稳定的机械屏障来封堵出血部位，因此它有可能用于治疗上消化道出血（UGIB）以及内镜切除后渗血的病变。此外，还有一种新型的基质止血水凝胶，由甲基丙烯酰化明胶（GelMA）和 N-(2-氨基乙基)-4-(4-(羟甲基)-2-甲氧基-5-亚硝基苯氧基)丁酰胺（NB）与糖胺聚糖透明质酸（HA-NB）连接而成，其成分与细胞外基质（ECM）相似。它不仅具有明胶吸收率高的优点，还充分利用了透明质酸 - 纳米纤维聚合物基质具有出色的组织融合和整合的优势，这有助于水凝胶在紫外线照射下迅速凝胶化，并与组织表面结合，从而封闭动脉和心壁的出血部位。
讨论
创伤和过度出血是凝血病的主要潜在因素，包括持续性低体温、代谢性酸中毒以及无法形成血凝块和启动凝血机制。在这种情况下，需要借助外力在短时间内有效止血，以免造成其他副作用甚至危及生命的情况。正因如此，研究人员一直在研究新的止血生物材料和产品，以进一步提高其止血性能，从而满足不同出血伤口患者的止血需求。
近年来，人们开发出了多种止血生物材料和产品，主要分为天然生物材料和合成生物材料。这些生物材料中，有些只有吸收和被动交互作用，而另一些具有主动生物交互作用，能促进止血机制。吸收性和被动交互作用的生物材料不含任何能增强止血或保护生物体免受细菌感染的特定成分，只是通过覆盖伤口、吸收血液和渗出液来达到止血的目的。例如，氧化再生纤维素（ORC）纱布和淀粉基微球可通过吸收血液中的液体来浓缩有效成分从而封闭伤口。在此过程中，这些生物材料通过促进纤维蛋白凝块的形成来改善止血效果，这与凝血级联反应无关。另一方面，生物活性材料和敷料是通过自身或嵌入的成分附着于出血组织，主要促进止血和防止感染的系统。据报道，海藻酸盐的负电荷表面可通过凝血因子 XII 的自动激活引发凝血，而壳聚糖的正电荷表面则可通过电荷相互作用黏附血小板。
尽管所有商业止血产品都符合止血生物材料的基本标准，但它们不同的止血机制会影响止血生物材料在出血患者中的选择和应用。特别是那些依赖血小板存在的止血生物材料，不能用于血小板缺乏或功能障碍的出血患者。相比之下，其他能够独立于血小板存在而激活某些凝血级联成分的止血生物材料，则用于这些患者的止血。此外，身体不同部位的出血对止血方式和止血生物材料的形式有不同的要求。最常见的出血部位可分为可压迫止血和不可压迫止血。为此，常见的方法是将止血生物材料制备成不同的形式，如喷雾、粉末、溶液、水凝胶等，使其在止血中得到广泛应用。在使用止血生物材料止血时，应考虑其应用限制，以避免副作用。例如，某些止血生物材料不能静脉注射，以免造成血管栓塞。
此外，止血生物材料还存在生物安全性、止血效果和成本高等一系列问题，这限制了其广泛应用。为了制备能够满足出血患者需求的止血生物材料，有必要对材料的性能进行改进。例如，多糖是天然分子，具有来源丰富、大小和电荷多样、无免疫反应以及可生物降解等优点。特别是基于多糖的生物材料可以通过化学或物理方法轻松制备和改性。在此基础上，可以对生物材料进行改性以克服其原有的缺点并获得新的性能。目前，常用的生物材料改性技术包括交联技术和基因重组技术。例如，通过交联技术可以改善胶原蛋白和明胶的机械性能，使其适应血流动力学并附着于组织。选择生物相容性好、无毒的交联剂对生物材料进行交联至关重要，以避免炎症或副作用的发生。另一方面，通过基因工程技术开发的人源化胶原蛋白不仅克服了潜在病原体风险以及批次间不稳定性的缺点，还具有良好的止血性能以及成本低、可大规模生产的优势。
最后，在临床和止血生物材料的开发中，单一生物材料很难满足所有的止血要求。由于这些困难，出现了两种主要策略。一种是将两种或多种止血生物材料结合，以同时获得多功能生物材料。另一种是通过基因重组技术开发具有良好生物相容性和止血效果的新止血多肽或蛋白质。值得一提的是，由于其独特的优势，自组装肽及其衍生物在止血领域越来越受到关注。自组装止血肽的设计和开发主要包括四个方面：1）设计有助于红细胞聚集、血液凝固，并具有更强粘性和压缩能力的肽基质支架。2）通过组合化学库和组合肽库筛选出具有特定自组装特性和止血作用的新型肽。3）通过将凝血促进基序、细胞黏附基序和蛋白质 - 蛋白质相互作用基序等生物活性序列整合到肽中，制造一种能够促进血液凝固、细胞增殖和组织再生的多功能止血材料。4）将合成肽与其他止血剂（包括内服止血药、外用止血剂等）混合，使其具有更高的拉伸强度、硬度和止血效果。最后但同样重要的是，一些研究人员专注于开发一种与细胞外基质具有相似成分的止血密封剂，并致力于寻找一种能够模拟、增强甚至放大凝血机制的最佳系统。
DOI 10.3389/fbioe.2022.1062676
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