硅藻是典型的海洋生物污损生物，它们分泌胞外聚合物(EPS)以实现强大的水下粘附。在这里，中国海洋大学冯超报道了一种由硅藻生物二氧化硅(DB)和白芨多糖(BSP)组成的硅藻仿生亲水多糖胶黏剂，用于快速密封止血。DB具有丰富的表面硅烷醇基团的分级多孔结构为BSP提供了强大的锚定界面效应，可以显着增强亲水性大分子网络的交联密度和相互作用强度。在不同温度条件下，BSP/DB胶黏剂的机械强度和粘度是BSP的6倍。 BSP的 DBs界面的聚集效应避免了 BSP/DB胶黏剂在交联发生之前在潮湿环境中应用时的冲刷。这增强了BSP/DB胶黏剂对生物组织的粘附能力，在大鼠肝损伤模型中实现完全密封止血而不失血。冻干法制备的干BSP/DB继承了BSP/DB胶黏剂优异的凝血能力，可在1min内快速实现抗凝全血的凝固。动物研究结果证实，在止血率、失血量、剂量和多卷轴伤口闭合方面，干燥的BSP/DB表现出优于硅酸盐基无机Quikclot的止血性能。该研究以题为“Diatom-Inspired Bionic Hydrophilic Polysaccharide Adhesive for Rapid Sealing Hemostasis”的论文发表在《ACS Nano》上。
【BSP/DB胶黏剂的制备】
该研究基于仿生硅藻粘附力开发了BSP/DB胶黏剂，如图1所示。提高BSP胶黏剂粘附能力的设计原理包括三个方面：(i)通过引入DB增强BSP分子间内聚力。DB的锚定界面效应，提高其机械强度和在水中的稳定性；(ii)DB丰富的表面硅烷醇基团通过氢键增强了与组织界面的粘附力；(iii)DB允许在界面处引入更大的聚合物吸附面积并发挥颗粒的桥联效应，从而实现BSP和生物组织之间更强的接触。该工作不仅为通过模拟硅藻粘附行为来提高亲水聚合物湿粘附性能提供了通用方法，而且展示了该复合亲水胶黏剂在安全高效密封止血方面的巨大潜力。
【BSP/DB胶黏剂的表征】
BSP/DB胶黏剂是通过BSP和DB的简单混合物制备的，以模拟硅藻的高粘合能力和耐水性。在高温下，白芨粉的BSP溶解在水中，表现为粘性胶体，其中多糖分子中的氢键是形成粘附的主要因素。BSP/DB胶黏剂呈现出均匀的颜色外观，表明DB在BSP中分散良好。DB为BSP/DB胶黏剂带来了增强的耐水性，从而避免了BSP基质在水相中的分散和崩解。
【BSP/DB胶黏剂的粘弹性能和组织粘附性】
使用流变测试研究了BSP和BSP/DB胶黏剂的机械强度。储能模量(G′)高于BSP胶黏剂(10％-BSP和20％-BSP)的损耗模量(G”)，表明弹性网络的特性。20%-BSP胶黏剂具有更强的机械强度，可用于后续应用。DB可以增强BSP/DB胶的机械强度，满足不同场景的粘弹性和粘度需求。由于平衡的固体和液体特性以及剪切稀化能力，BSP/DB胶黏剂可以通过注射器注射，有助于有效填充不规则伤口。这保证了BSP/DB胶黏剂作为快速密封止血的可行性。
采用与人真皮生物特性相似的猪皮进行剥离试验，考察了BSP/DB胶黏剂的组织粘附能力。BSP/DB胶黏剂的粘合强度随着DB添加量的增加而增加。BSP/DB胶黏剂显着增强的组织粘附力来自于DB的引入，DB可以增强胶黏剂的内聚强度，并允许BSP/DB胶黏剂与组织之间形成丰富的氢键。
生物胶黏剂的一个常见问题是其粘合强度在潮湿环境中减弱，这主要是由于胶黏剂的膨胀和溶解。当BSP/DB胶黏剂与基材接触1分钟后，其对大鼠肺、心脏、脾、肾、肝、木材、聚丙烯(PP)、玻璃、橡胶、陶瓷等多种表面的粘合力在空气和水中中实现。特别是在潮湿的条件下，生物胶黏剂不可避免，BSP/DB胶黏剂的粘附力会使其粘附在不同重量的各种界面上。这种快速稳定的粘合可能会扩大胶黏剂在临床环境中的便利应用，并且不会面临胶黏剂难以处理和移动的问题。
【DB在胶黏剂中的增强机制】
为了进一步研究BSP/DB胶黏剂中DB与BSP之间的相互作用，在与对照相同的条件下引入煅烧DB(DBc)和实芯SiO2，分别命名为BSP/DBc和BSP/SiO2。DBc具有与DB相同的分级多孔结构，且表面硅烷醇含量很少，而SiO2具有与DB相似的表面硅烷醇，但缺乏多孔结构表面。DB对BSP的机械强度和组织粘附能力影响最为显着，而DBc和SiO2对BSP的机械强度和组织粘附能力影响较小。因此，可以合理推测BSP/DB胶黏剂中DB和BSP之间的相互作用主要是由于DB表面的分级多孔和-SiOH引起的锚定界面效应。另一方面，BSP/DB胶黏剂的生物粘附能力来自以下三个因素。(i)当BSP分子链网络内部形成氢键时，BSP/DB胶黏剂将形成内聚强度显着增强的粘合网络。(ii) BSP/DB胶黏剂对组织界面的粘附增强是通过丰富的氢键实现的。(iii)生物组织也可以被视为凝胶状，因为它们含有丰富的生物分子，如多糖和蛋白质。当BSP/DB胶黏剂与生物组织接触时，组织内的大分子链自由渗透并扩散到DB的孔中，这可以作为生物组织和BSP/DB胶黏剂之间的桥接点，进一步增强BSP/DB胶黏剂的粘合力。
【体内BSP/DB胶黏剂的缠绕密封能力】
建立离体牛蛙心脏灌注模型(该模型用于后续系列实验)，以进一步评估BSP/DB胶黏剂对伤口的湿粘附和密封能力。使用BSP/DB胶黏剂后，在重力和心脏收缩的影响下实现伤口部位的立即闭合，并保持这种闭合一定时间。这对于 BSP/DB 在生物体内伤口闭合中的后续应用具有重要的实际意义，展示了增强止血效果的可行前景。此外，观察到应用 BSP/DB 后心脏曲线振幅大幅增加，表明胶黏剂提供的心脏密封足以恢复大部分心脏收缩强度，对功能节律具有潜在的恢复影响。
【BSP/DB胶黏剂在大鼠肝出血模型中对生物组织的密封效果】
该研究进一步在大鼠肝脏出血模型中测试了BSP/DB胶黏剂对生物组织的密封效果。用BSP/DB胶黏剂处理的大鼠肝脏立即实现快速封闭止血，并且没有发生出血渗出)。相反，未经治疗的大鼠在1秒后出现大量出血。而BSP组1秒后开始渗透血液，并且在整个70秒内血液加深。此外，各组失血量和止血时间的定量结果表明BSP/DB胶黏剂具有快速密封伤口而不失血的能力。这是由于BSP/DB胶黏剂中DB的锚固界面效应所产生的内聚力及其密封止血性能所致。
【BSP/DB胶黏剂的生物相容性和抗菌能力】
使用小鼠L929成纤维细胞进行体外细胞毒性研究。结果表明BSP/DB胶黏剂具有良好的细胞相容性。结合溶血测试结果表明BSP/DB胶黏剂具有良好的血液相容性。本研究中，BSP/DB胶的溶血率较低各浓度下均高于DB，这表明DB的硅烷醇基团锚定在BSP的羟基上。这可以屏蔽硅烷醇基团对红细胞的影响。此外，还研究了BSP/DB胶黏剂对两种模型微生物(革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌)的抗菌性能。BSP/DB胶黏剂表现出类似的杀菌效果。BSP的存在可能会导致细菌细胞膜的通透性发生变化。细胞膜通透性增加可导致细胞内内容物外渗，从而表现出类似的杀菌效果。
【与正常血液的干燥BSP/DB接触】
考虑到BSP/DB胶黏剂应用场景的可扩展性，采用冻干法制备干BSP/DB。通过复钙后的凝血时间评价干BSP/DB的体外促凝能力。所有干BSP/DB均表现出很强的促凝血活性(~100 s)。进一步证明干BSP/DB具有增强止血控制的能力。干的BSP/DB可以增加血栓的机械强度，并对控制出血和继发性出血具有持久的效果。具体而言，血液凝固成分在干燥 BSP/DB 存在下会经历特定的聚集行为，导致整个血液环境中血红蛋白网络的形成。这种网络的形成不仅可以增强凝块的稳定性，而且可以有效促进抗凝血液的液固转化。这种能力可以为抗凝血液成分的液固转化提供途径，从而在维持血液止血方面发挥重要作用。
【体内干性BSP/DB的止血性能】
该研究还评估了干BSP/DB的体内止血性能。建立大鼠断尾模型。与Quikclot止血处理相比，20-BSP/DB的最快凝血时间为186秒，失血量为250毫克。每组BSP/DB治疗均显示出显着的止血效果，凝血时间约为200秒。相比之下，Quikclot组的凝血时间和失血量分别达到327秒和452 mg，与DB和BSP治疗组相似。总体而言，BSP/DB胶黏剂具有湿粘附能力和快速控制出血的能力，从而实现快速密封止血。
【小结】
该研究通过将BSP水溶液与DB混合，开发了一种受硅藻启发的仿生BSP/DB胶黏剂。BSP/DB胶黏剂是通过DB的锚定界面效应形成的，以固定BSP，从而实现氢键相互作用驱动的界面粘合。BSP/DB胶黏剂在不同温度条件下机械强度显着提高，对生物组织的粘附力显着增强。它的使用还实现了完全封闭止血，不失血。干BSP/DB继承了BSP/DB胶黏剂优异的体外和体内凝固能力。BSP/DB胶黏剂还表现出适当的生物安全性以及抗菌性能，因此，BSP/DB胶黏剂在生物相容性组织密封剂和伤口止血敷料等各种生物医学应用中具有巨大潜力。
来源：BioMed科技
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