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黑科技止血内里有玄机 浙大研发成功"补心胶水"

2019-05-24 09:01:30  来源:浙江在线 记者 曾福泉 通讯员 涵冰

  浙江在线5月24日讯(浙江在线记者 曾福泉 通讯员 涵冰)出血——任何时候,这都是一件需要人打起十二分精神去严肃处理的事情,很多情况下还需要充分的勇气和技巧。

  在各种意外事故的现场,因为缺少有效的紧急止血手段,许多生命在等待救援的过程中逝去了。在手术室,医护人员每天都耗费巨大时间精力来帮助患者止血。在现代化的战场上,各国军队对新型止血技术的需求与日俱增,以最大限度保存有生力量……

  高效止血,这个与生命紧密相关的科学问题吸引了许多科研人员的目光,催生出一系列创新成果。

  近一个月内,国际著名期刊《自然通讯》先后发表了来自浙江大学的两项成果,为高效止血提供了全新的方法。

  紧急时刻 “止血T恤”能救命

  走进浙大化学系范杰教授实验室,记者看到了他们新发明的“紧急止血救生衣”。穿在身上,就是一件普通的白色T恤。但它的材料藏着玄机——沸石-棉纤维复合物。关键时刻,把这件T恤脱下来、压在伤口上,能止住喷流的动脉血,为抢救生命赢得时间。

  大动脉出血十分凶险,每年夺去190万人的生命。出血时,人体会自动启动一套凝血机制,但人体的生化反应缓慢而温和,像动脉出血如此剧烈的情况,缓慢的凝血进程是微不足道的。包扎、按压等传统急救手段也显单薄,许多大出血患者在等待救援的过程中离开了人世。

  相比之下,范杰团队的新发明有神奇的威力。在电子显微镜下,看似普通的纯棉T恤显露了它与众不同的样貌:一根根棉纤维上附着有许多小圆球,直径在5微米左右。“这些‘圆球’是沸石颗粒,它们和棉纤维共同形成的复合材料,能够快速止住血流。”范杰说。

  沸石拥有独特的孔穴和通道密布的微观结构,是一种长期被用作分子筛的矿物,浙江就储藏有大量沸石。20世纪80年代,一个偶然的机会让美国科学家赫希(F.Hursey)发现了沸石具有止血作用。一天,他在剃须时不小心划破了脸,这时手边正好有一个用来做气体分离实验的沸石制品,他拿过来附在伤口上,发现血很快止住了。美国由此研发出一种沸石紧急止血剂,把颗粒状的沸石用在伤口上,3分钟左右就能控制住像主动脉流血这样的紧急情况。2003年起,装着沸石颗粒的“止血包”已成为美国部队随身标配。但这还远不是完美的止血剂。一个比较严重的问题是,沸石吸水会产生大量的热,热量会导致伤口温度上升,造成灼伤,影响伤口愈合。

  范杰对沸石进行了全面升级和改造,实现了两项关键突破。

  一是弄清沸石能迅速止血的分子机制,指出沸石止血不是简单的物理吸附现象,而是发生了化学反应。人体内通常情况下十几秒内就会失去活性的凝血酶,在被沸石孔道中的钙离子“固定”于表面后,活性可以持续几十个月。“这一发现揭示了无机物和有机物之间神奇的相互作用。”范杰说,课题组由此制备了一种钙-沸石材料,把沸石凝血进程从120秒缩短至12秒,使之具备了紧急止血的能力。

  第二个突破是将沸石材料成功地 “长”到棉纤维上,沸石晶体紧紧地“抓”住棉纤维表面,不受水洗水冲的影响,即便用超声波也“振”不下来,这就让生产紧急止血毛巾或救生衣成为可能。

  在一场代表前沿水平的止血PK中,使用美军战斗纱布的伤口在按压10分钟后,仍然流血不止;而使用沸石-棉纤维复合纱布的伤口,按压5分钟后就已经成功止血,创面不再有鲜血流出。外科医生缝合皮肤创口后两小时观察,颈动脉血流正常。

  “即使赤手空拳,也能进行救援。”范杰认为这是院前急救能否成功的关键。很多大出血发生都非常突然、很意外的情况下,这时人们往往身边没有准备额外的止血工具和材料。在科学家看来,把沸石“穿”在身上才是最保险的,才能使随时随地的救援成为可能。

  范杰介绍,紧急止血救生衣将于今年8月问世。利用这种方法,还可以制造止血毛巾等多种产品,成为户外、极限、赛车等特殊运动人群的装备,也可以作为汽车急救装备,在各种交通意外发生时发挥作用。

  “心碎”时分 “神奇胶水”来修复

  前不久,浙大医学院欧阳宏伟教授深夜11时收到一条短信:“欧阳兄,盼望您的神药,今天手术,止血到现在。”

  这是上海儿童医学中心心胸外科大夫陈会文发来的,一台小儿心脏手术持续超过7个小时,止血就耗费了医护人员整整4小时,过程非常煎熬。

  陈医生盼望的“神药”,是欧阳宏伟团队日前发明的一种新型水凝胶,能够有力黏附于湿润器官组织表面,在光的控制下迅速成胶,快速修补动脉、心脏等创口,并耐受住血液流动或心脏收缩时产生的压力。

  神奇“胶水”目前已在猪等大型动物上证实了有效性。中科院院士刘昌盛认为,这一研究完美地解决了医用组织胶水在动态、湿性、大出血组织截面处的止血和封闭问题,并且操作便捷,转化推广前景看好。

  “如果能设计出一种‘胶水’,让医生告别缝线,伤口极速愈合,出血带来的风险就会大大降低。”4年前,欧阳宏伟开始了一项“阅读天书”计划。他说,人体就是一本丰富而精妙的材料学“天书”,蕴含着许多生物材料的设计思路。

  补心“胶水”正是“天书”给研究人员最初的提示。“我们的皮肤、肌腱、软骨等都可以看做是不同成分和配比的水凝胶。”欧阳宏伟认为,可以模仿细胞外基质来做一种具有修复功能的水凝胶。其中最大的挑战在于界面,它要修补的界面是湿的。

  湿,是普通胶水的“克星”。我们都有在墙上粘一个不干胶挂钩的经验,要保证挂钩粘得牢固,墙面必须干燥无尘;墙面有水,挂钩就粘不住。“而人体环境湿的。”欧阳宏伟说,“尤其是血管破裂处,流动的血液冲击伤口,普通的‘胶水’还没粘上可能就被冲走。”

  研究团队设计出一种全新的水凝胶Matrix Gel,它的主要成分为明胶(GelMa)和光板机分子修饰的透明质酸(HA-NB),对光敏感。只要光“一声令下”,这种材料就迅速进入成胶阶段,长出两层网络结构。双层网络极大提升了材料的力学性能,变得更抗压。

  这一创造性的设计,让“胶水”在活动的、湿面的组织上应付自如。实验表明,补心“胶水”的黏附力可以抵抗290毫米汞柱的压强,远高于常规收缩血压。

  猪的心脏大小与结构与人的心脏最为接近,跳动心脏大出血是目前最难止的血。研究人员在猪搏动的心脏上穿了一个6毫米直径的孔,鲜血喷溅而出。这时,研究人员在伤口挤入Matrix Gel,再用一束紫外光进行照射,几秒钟之内,血止住了。

  在无需缝合的状态下,创口得到了完美闭合,术后,研究小组对参与实验的猪进行了为期两周的恢复期检测,均未发现手术导致的任何异常。

  “从动物实验的角度来说,这是心脏外科止血的一次革新。”陈会文用“震撼”两字描述他看到实验视频的印象。在此之前,研究团队已经在猪肝脏大面积出血,猪颈动脉破裂等情况下测试Matrix Gel的性能,均显示了良好的修补性能。“于是我们想试试,对于难度最大的心脏破裂,Matrix Gel的能力如何。”欧阳宏伟说。

  在许多外科手术中,术后止血工作繁琐而艰巨,也是手术风险的敏感环节。 “在临床上,我们用来止血的药物、材料有10多种,速度较慢。对于动脉和主要脏器大出血没有有效的快速止血手段。很多时候我们能做的只有等待。希望这项技术能够早日走向临床,解决我们外科手术普遍的难题。”陈会文说。

  “不仅仅是修补血管、心脏,外科医生在很多情况下都在‘补漏’,他们需要称手的材料。”欧阳宏伟说,Matrix Gel是通过对FDA认证的天然蛋白和多糖进行改性而来,具有很好的生物相容性。“它有可能用于其他很多组织修复。”专家认为,由于这种材料方便注射,这为体外进行内组织修复提供了可能。

  “下一步,我们还会研发出强度更好,也更便于操控的胶水。”欧阳宏伟说。陈会文则对这一材料走向临床满怀期待:动物实验的结果应用到临床还有较长的道路,比如这种凝胶与人体其他组织的相容性、在血肉模糊的外科手术视野下是否有同样的效果、凝胶的安全性等。“期待尽快开展临床相关研究,真正做到止血‘无痕’”。

编辑:徐光

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