不可控大出血手術和創傷性損傷中致病致死的主要原因。快速有效的出血控制至關重要，但實現起來仍然具有嚴峻挑戰。目前的止血技術主要依賴于血液自身的凝固機制，其起效緩慢并且產生的血凝塊機械性能脆弱。這種方法也不適用于患有先天性、疾病相關、或藥物引起的止血功能障礙的患者。生物粘合劑越來越多地用作止血密封劑，其可通過物理阻塞來封堵出血部位。然而，它們在實施過程中通常需要施壓以去除界面血液， 否則無法獲得生物粘附和止血作用，也因此排除了它們用于治療不可壓迫大出血的治療。對不可壓迫大出血的管理仍然存在未滿足的臨床需求，因此需要進行范式轉換設計。
LIMB 基質由包含共價交聯聚丙烯酰胺（PAAm）和物理交聯殼聚糖（chitosan）的大孔干凝膠形成，通過冷凍干燥或冷凍交聯產生孔。LIMB在磷酸鹽緩沖鹽水 (PBS) 中達到溶脹平衡后，表現出較高的斷裂能 (>1500 J m-2) 和較大的變形能力（破壞應變 > 600%）。這些特性超過了軟組織和器官，例如軟骨和血管。LIMB 對小于 5 mm 的裂紋也不敏感，這意味著其中的大孔（~200-400 微米）不會降低其機械性能。另一個重要的機械性能是剛度，它決定了 LIMB 與組織表面的一致性。LIMB 在使用中表現出 20-70 kPa 之間的可調剛度，允許與組織緊密接觸而不會引起機械應力，同時在溶脹平衡剛度會進一步降低。
LIMB 的大孔可以快速吸收界面流體，這是形成粘附的關鍵。研究發現，當界面流體的厚度約為 250 微米時，LIMB 在15秒內便可產生粘附。 相比之下，傳統的生物粘合劑在 420 秒內無法形成粘附。LIMB 還可以在不施加壓迫的情況下，與各種組織及工程材料實現強力和光譜的粘附。無論使用中是否加壓，其可與暴露在血液中的人體主動脈、豬肝、心臟和皮膚形成了極其堅韌的粘接， 粘附力明顯優于纖維蛋白膠和醫用膠帶 (10-20 J m-2)。
LIMB 的獨特設計還有助于解決對于實用性和存儲性等重要臨床轉換挑戰。由于功能性液體對LIMB基質具有化學惰性，LIMB 可在 -80℃（通常用于儲存治療劑和化學品的溫度）下長期穩定儲存。研究人員檢查了 存儲不同時間后的LIMB ，在不施加壓力的情況對血液覆蓋的肝臟的粘附性能，發現 LIMB 在 存儲90 天內保持高度粘附性。LIMB 易于使用和儲存，保質期長，具有轉化潛力。
研究人員隨后使用多種大出血動物模型對LIMB的止血功效進行評估。在大鼠肝臟不可壓縮出血模型（直徑 4 毫米，深度 3 毫米，體積缺損）中用作植入式止血劑時，LIMB 表現出低失血量（99.8 毫克）和快速止血時間（31.5 秒）， 與市售止血明膠海綿 SURGIFOAM 的 517.1 mg 和 165.8 s 形成鮮明對比。LIMB 在植入大鼠 2 周后還表現出非常輕微的異物反應、最小的炎癥和過敏反應。在大鼠肝臟深窄切口模型（長 7 毫米，深 3 毫米）中，與傳統的生物粘合劑、標準紗布和商用產品（Combat Gauze）相比，LIMB 顯著減少了失血。在豬肝切口模型（長 15 毫米和深 10 毫米）中，紗布和 LIMB 的平均失血量分別為 69.5 和 17.1 毫升。用 LIMB 治療的 6 只豬中有 4 只在 10 分鐘內完全止血，但用普通紗布治療的 7 只豬中只有 2 只成功。
LIMB 可以根據需要即時安全地去除，這是現有生物粘合劑尚未實現的功能。在使用后的前兩分鐘內，粘附主要來自LIMB干孔的毛細吸力，其可通過用鹽水（0.9% NaCl）潤濕輕易地抑制這些物理相互作用。研究表明，LIMB 可以在潤濕后立即從受傷的肝臟上安全剝離。超過這個時間窗口，LIMB 仍然可以用去除劑去除，以切割在界面處形成的化學鍵。作者證明了低濃度乙酸可以快速溶解界面和 LIMB 內的殼聚糖網絡，這是導致濕粘附的主要因素，因此破壞殼聚糖網絡后LIMB可以瞬間移除。 所用的乙酸溶液濃度低（0.1 M），使用后可以用鹽水快速中和， 移除 LIMB 后未觀察到再出血。
總而言之，研究人員通過利用仿生結構、堅韌的粘合劑和液體滲透描述了一種新的止血生物粘合劑設計。由此產生的微結構生物粘合劑可以與生物污染表面形成即時且牢固的粘合，而無需壓縮。生物粘合劑可生物降解，易于實施，可長期儲存。粘合劑的功能很容易通過注入的功能液體進行調節。與幾種現有的止血劑和生物粘合劑相比，它們顯示出優異的生物相容性和止血功效，在小型和大型動物模型中減少不可壓迫和深窄大出血中得到驗證。作者預計，所報告的設計原則和材料系統將促進生物粘合劑和止血材料的開發和轉化，以控制出血和先進的外科護理。
該研究進展以Liquid-infused microstructured bioadhesives halt non-compressible hemorrhage為題發表在Nature Communications。該工作的第一作者是麥吉爾大學機械系博士鮑光宇，主要通訊作者是麥吉爾大學加拿大研究講席教授李劍宇教授。
論文鏈接（開放獲取）：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32803-1
李劍宇教授團隊致力于新型生物材料設計開發和機理研究。研究方向包括軟物質力學、生物粘合劑、再生醫學、止血材料、手術器械和智能設備開發。目前李劍宇教授在招聘具有止血材料、血管介入器械、血液學相關背景的博士后，歡迎聯系(jianyu.li@mcgill.ca)。
相關前期工作包括：
- 生物材料在不可壓迫大出血上的應用：Shuaibing Jiang, et al. Hemostatic biomaterials to halt non-compressible hemorrhage, Journal of Materials Chemistry B, 2022
- 能承受百萬次高頻力學加載、細胞兼容、可注射的多孔雙網絡水凝膠：Sareh Taheri, et al. Injectable, Pore-Forming, Perfusable Double-Network Hydrogels Resilient to Extreme Biomechanical Stimulations, Advanced Science, 9, 2102627, 2022
- 具備優異的化學穩定性、離子相容性、廣譜粘接性的多功能高韌性水凝膠離子器件：Guangyu Bao, et al. Ionotronic tough adhesives with intrinsic multifunctionality, ACS Applied Materials & Interfaces, 13, 37849-37861, 2021
- 首次實現生物打印細胞大小孔徑且粘彈性可正交調節的水凝膠細胞支架：Guangyu Bao, et al. Triggered micropore-forming bioprinting of porous viscoelastic hydrogels, Materials Horizons, 7, 2336-2347, 2020
- 組織粘附劑的設計和應用：Zhenwei Ma, et al. Multifaceted design and emerging applications of tissue adhesives. Advanced Materials, 2021.
下載：Liquid-infused microstructured bioadhesives halt non-compressible hemorrhage
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