创伤性大出血，尤其是不可压迫性出血，仍然是全球范围内可预防性死亡的首要原因。在战场上，此类出血占阵亡人数的90%；在平民创伤中，其致死率也高达30%至40%。临床管理的一大挑战在于，多达三分之一的严重创伤患者会并发创伤性凝血病，导致内源性凝血功能严重受损。目前临床常用的止血材料，如高岭土浸渍纱布、氧化纤维素和明胶海绵等，主要依赖激活或促进机体自身凝血级联反应来发挥作用。然而，在凝血功能被抑制的病理条件下，这些材料的有效性急剧下降，形成了巨大的临床未满足需求。因此，开发一种不依赖于传统凝血级联反应，能够快速、有效控制出血的新型止血材料，成为急救医学和外科领域的迫切任务。
针对这一难题，武汉大学蔡杰教授、中南医院叶啟发主任医师合作开发了一种创新的双交联超高度脱乙酰化壳聚糖气凝胶，实现了凝血非依赖的快速止血。该材料通过一种全新的“双交联分层毛细管-弹性记忆”机制发挥作用：定向冰模板技术构建的多级孔结构可快速吸收血液，触发可逆氢键的释放，而共价交联网络则储存弹性势能，驱动材料在与血液接触后超快速自膨胀，形成稳定的物理填塞效应，从而机械性地封闭出血创面和血管。与此同时，阳离子化的壳聚糖网络通过静电作用促进红细胞聚集和细胞粘附，在无需纤维蛋白形成的情况下即可实现有效封堵。这种结构-化学一体化设计的气凝胶平台，为凝血功能障碍情况下的急救止血提供了可转化的全新策略。相关论文以“Coagulation-Independent Hemostasis Through Architecturally Programmed Chitosan Aerogels with Dual-Crosslinked Networks”为题，发表在Advanced Materials上。
首先通过温和的碱溶解/中和路线制备了超高度脱乙酰化壳聚糖，并利用乙二醇二缩水甘油醚进行共价交联，再结合双向冷冻技术构建了各向异性的分级孔结构。图1系统展示了该材料的制备流程与宏观性能。从超高度脱乙酰化壳聚糖粉末（图1b）到澄清溶液（图1c），研究者利用双向冷冻装置（图1d）引导冰晶定向生长，最终获得了具有整齐排列孔隙的壳聚糖气凝胶（图1e）。这种气凝胶展现了惊人的力学性能：仅0.0404克即可支撑起1公斤的重物（图1f），其强度-重量比高达24700倍；其超低的密度（45–80毫克/立方厘米）使其能轻盈地置于花瓣之上（图1g）。通过罗丹明B和荧光素钠的掺入，可以直观地看到材料内部相互连通的孔隙网络（图1h），且该制备工艺具有良好的可放大性（图1i），为后续应用奠定了基础。
图1 双交联超高度脱乙酰化壳聚糖气凝胶的制备与表征。 (a) 从超高度脱乙酰化壳聚糖溶液构建DC-UDCS气凝胶的工艺流程示意图，包括化学交联形成DC-UDCS碱性凝胶、双向冷冻生成具有定向冰模板的冷冻凝胶、随后物理交联得到DC-UDCS水凝胶，以及冷冻干燥获得多孔DC-UDCS气凝胶。 (b) 超高度脱乙酰化壳聚糖前体粉末的照片。 (c) 超高度脱乙酰化壳聚糖溶液的照片。 (d) 使用铜冷指结合液氮施加双向温度梯度的双向冷冻装置示意图。 (e) 冷冻干燥后具有代表性的整体DC-UDCS气凝胶样品（3.5 × 2.0 × 0.8 立方厘米）。 (f) 力学性能展示照片：0.0404克气凝胶支撑1公斤重物（强度-重量比为24700倍）。 (g) 轻盈的气凝胶（密度：45–80 毫克/立方厘米）置于花瓣上。 (h) 罗丹明B（粉色）和荧光素钠（橙色）的掺入证实了相互连通的孔隙结构。 (i) 大尺寸DC-UDCS气凝胶展示了其可放大性。比例尺：1厘米。
为进一步揭示材料内部的微观结构与形成机制，研究人员利用拉曼光谱和电子显微镜进行了深入表征。图2展示了气凝胶在冷冻过程中发生的显著相分离：从冷冻前均匀分布的化学交联凝胶（图2a），到冷冻后聚合物链在冰晶间隙中高度富集，形成壳聚糖富集的孔壁（图2b），三维重构图像清晰地呈现了相互连通的孔道网络（图2c）。扫描电镜图像揭示了材料的高度各向异性：在沿冷冻方向的纵切面上（图2d、e），可见平行排列的规整孔道（孔径约38微米）；而在横切面上（图2f），则呈现蜂窝状结构。高倍电镜（图2g）和原子力显微镜（图2h）进一步显示，孔壁由纳米纤维网络构成，这种多尺度的结构设计为快速液体传输提供了基础。X射线衍射分析（图2i-k）揭示了材料在交联密度变化下的结晶行为演变，而压缩测试（图2l-n）则证实了双交联网络对材料力学性能的调控作用：尤其在再水化（即工作状态）下，高交联度的DC-UDCS-2.0的弹性模量相比未交联样品提升了5.4倍，达到了356.8千帕，确保了其在湿态下的结构稳定性。
图2 DC-UDCS-2.0的微观结构演变、各向异性及交联密度依赖性增强。 (a、b) 壳聚糖分布的拉曼图谱（100 × 100 平方微米），展示了从冷冻前空间均匀的碱性凝胶（a）到冷冻后冰模板诱导的相分离结构（b），壳聚糖富集的壁（红/绿色）围绕冰模板化通道（蓝色）。 (c) 三维拉曼重建图（200 × 200 × 200 立方微米），揭示了相互连通的孔网络。 (d–f) 扫描电镜图像展示了各向异性的孔形态：沿冷冻方向平行排列的通道（d、e）和垂直于冷冻方向平面的蜂窝状横截面（f）。 (g) 高倍扫描电镜图像显示了相邻孔壁之间的纳米纤维桥接。 (h) 孔壁表面的原子力显微镜图像。 (i–k) 具有不同EGDE:GlcN摩尔比的水凝胶（i）、气凝胶（j）和再水化气凝胶（k）的X射线衍射图谱。 (l–n) 水凝胶（l）、气凝胶（m）和再水化气凝胶（n）的压缩应力-应变曲线，展示了组成依赖性增强；插图显示了未交联超高度脱乙酰化壳聚糖对照样品。
材料最独特的功能在于其可编程的形状恢复能力。图3展示了这种“双交联分层毛细管-弹性记忆”机制的详细过程。压缩后的DC-UDCS-2.0气凝胶（图3a上排）在接触水或乙醇等极性溶剂后，能够在数秒内恢复原始形状，而对丙酮、环己烷等非极性溶剂则无响应；相比之下，未交联的壳聚糖气凝胶（图3a下排）恢复极为缓慢且不完全。水吸收动力学测试（图3b）表明，交联度最高的DC-UDCS-2.0可在2秒内达到饱和吸水，而低交联样品则需要30秒，这归因于高交联度维持了孔隙结构的稳定性，防止了压缩后的孔道塌陷。扫描电镜观察揭示了微观机制：压缩时，材料发生可控的孔壁折叠（图3c），但一旦接触液体，水分竞争性地破坏氢键，释放储存的弹性应变能，驱动折叠的孔壁逐步打开（图3d），最终完全恢复。而未交联的样品（图3e、f）在压缩后则发生了不可逆的结构塌陷。力学循环测试（图3g-i）证实，再水化后的DC-UDCS-2.0气凝胶在40次循环压缩至60%应变后，其应力-应变曲线几乎完全重合，表现出卓越的抗疲劳性。这一系列证据共同构成了DC-HCEM机制（图3j）：共价交联提供弹性骨架储存能量，可逆氢键作为牺牲键在压缩时固定形变，而分级孔道则确保液体快速渗透，解锁牺牲键并触发超快恢复。
图3 双交联分层毛细管-弹性记忆机制使DC-UDCS气凝胶具备溶剂触发的形状恢复和循环力学韧性。 (a) 压缩后的DC-UDCS-2.0和未交联超高度脱乙酰化壳聚糖气凝胶在接触不同液体（水、乙醇、丙酮、二甲苯、叔丁醇和环己烷）后的照片。 (b) 不同交联密度压缩气凝胶的水吸收动力学。 (c、d) 压缩状态下的DC-UDCS-2.0（c）和水触发恢复后（d）的照片。 (e、f) 压缩状态下未交联超高度脱乙酰化壳聚糖（e）和再水化后（f）的相应扫描电镜横截面图。 (g) 再水化DC-UDCS-2.0在渐进增加最大应变的循环压缩下的代表性加载-卸载应力-应变曲线。 (h) 在60%应变下循环40次的应力-应变滞后回线。 (i) 循环依赖的能量耗散系数（ΔU/U）和最大应力。 (j) DC-UDCS（双交联）与未交联超高度脱乙酰化壳聚糖（仅氢键）的形变-恢复路径示意图。
除了力学性能，材料的生物活性和止血能力同样关键。图4评估了其抗菌、血液相容性及止血机制。抗菌实验（图4a）显示，DC-UDCS-2.0对金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等多种临床致病菌均能实现完全杀灭。扫描电镜观察（图4b）证实，细菌在与材料接触后，细胞膜发生严重破裂、内容物泄漏，细胞形态被彻底破坏。溶血实验（图4c）显示，在所有测试浓度下（0.5–4.0毫克/毫升），材料的溶血率均远低于5%的安全阈值（ISO 10993-4标准），证明了其优异的血液相容性。在模拟止血性能方面，压缩后的DC-UDCS-2.0在接触血液后16秒内即可产生超过40千帕的膨胀压力（图4d），这一数值远超正常动脉压（8-16千帕）并超过重度高血压阈值（>24千帕），保证了有效的血管封堵。血块形成实验（图4e）直观地展示了DC-UDCS-2.0的快速血液固定能力：仅接触30秒后，即使后续用水冲洗，血液也完全被固定在材料中，而普通纱布和未交联壳聚糖样品则出现大量血细胞分散流失。扫描电镜观察（图4f、g）进一步揭示，未交联样品血液仅能停留在表面，而DC-UDCS-2.0凭借其快速恢复的分级孔结构，实现了血液的体相渗透，红细胞和血小板被大量捕获在材料内部，并在正常凝血条件下可见纤维蛋白网络形成。综合对比（图4h）表明，DC-UDCS-2.0在血块形成指数（8%）、压缩强度（134千帕）和弹性模量（357千帕）等关键指标上均优于已报道的多种止血材料。其机制总结如图4i所示：预压缩气凝胶接触血液后，快速毛细管驱动血液浸润，破坏氢键并释放弹性势能，产生机械填塞，同时阳离子壳聚糖通过静电作用迅速富集血细胞，形成物理屏障，这一过程不依赖于凝血级联反应。
图4 DC-UDCS-2.0的抗菌功效、血液相容性和止血机制。 (a、b) 金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、副溶血性弧菌和铜绿假单胞菌与未交联超高度脱乙酰化壳聚糖或DC-UDCS-2.0气凝胶孵育后的细菌菌落照片（a）和相应的扫描电镜显微照片（b）。比例尺：2微米。 (c) 浓度为0.5–4.0毫克/毫升时的溶血率；插图：上清液外观（P，阳性对照；N，阴性对照）；虚线表示5%的安全阈值。 (d) 具有不同EGDE:GlcN比率的预压缩DC-UDCS气凝胶的时间分辨膨胀压力；阴影区域表示正常动脉压范围。 (e) 标准纱布、战斗纱布、未交联超高度脱乙酰化壳聚糖和DC-UDCS-2.0在0秒、30秒和加水后的血块形成照片。 (f、g) 未交联超高度脱乙酰化壳聚糖（f）和DC-UDCS-2.0（g）表面和内部血细胞粘附的扫描电镜图像；红圈，红细胞；黄圈，血小板；紫色箭头，纤维蛋白纤维。 (h) DC-UDCS-2.0与已报道止血材料的血块形成指数、压缩强度和弹性模量比较。 (i) 提出的双重作用机制示意图：快速的DC-HCEM驱动的机械填塞与壳聚糖介导的止血和抗菌活性（通过静电吸引、氢键和疏水相互作用）相结合。
在动物实验中，DC-UDCS-2.0的优异止血性能得到了充分验证。图5展示了在大鼠肝脏缺损和股动脉穿刺模型中的实验结果。在肝脏缺损模型中（图5b），DC-UDCS-2.0能迅速控制出血，其止血时间（图5d）和失血量（图5c）均与高岭土浸渍的军用纱布相当，且显著优于普通纱布。在更具挑战性的股动脉穿刺模型（图5e，血压80-120毫米汞柱）中，DC-UDCS-2.0同样表现出色，其止血时间（图5g）和失血量（图5f）与军用纱布无显著差异，远优于普通纱布。相比之下，未交联壳聚糖（UDCS）和非冰模板化对照材料（NIT-DC-UDCS-2.0）的止血效果均明显较差，证明了双交联网络与定向冰模板化结构协同作用的必要性。
图5 DC-UDCS-2.0在大鼠肝脏和股动脉出血模型中的体内止血效果。 (a) 肝脏缺损和股动脉穿刺模型示意图。 (b) 未处理组、标准纱布、战斗纱布和DC-UDCS-2.0的肝脏出血（初始）和治疗后创面（止血后）的代表性照片。 (c、d) 肝脏模型中总失血量（c）和止血时间（d）的量化（n ≥ 5）。 (e) 股动脉损伤的代表性图像，显示暴露的血管（左）和指定治疗后止血后的手术区域（右）。 (f、g) 股动脉模型中失血量（f）和止血时间（g）的量化（n ≥ 5）。数据以均值±标准差表示。统计学显著性标记为：ns，不显著；p < 0.05；p < 0.01；p < 0.001。比例尺：1厘米。
尤为重要的是，在模拟临床抗凝状态（肝素化）的兔子出血模型中，DC-UDCS-2.0展现了其凝血非依赖的独特优势。图6的结果显示，在肝素化兔肝脏缺损模型（图6b）中，DC-UDCS-2.0的失血量（图6c）和止血时间（图6d）均显著优于普通纱布和高岭土浸渍军用纱布。在更为凶险的腋动脉-静脉联合离断模型中（图6e），该材料的优势更加突出：其止血时间（图6g）和失血量（图6f）均显著少于对照组，并且60分钟生存率（图6h）达到了100%，而普通纱布组的生存率仅为50%。这些结果强有力地证明了，即使在凝血通路被药物（肝素）完全抑制的条件下，DC-UDCS-2.0依然能通过其物理填塞和细胞富集机制，实现快速、有效的止血，并挽救生命。
图6 DC-UDCS-2.0在肝素化兔肝脏和腋窝血管离断模型中的止血效果。 (a) 肝脏缺损和动静脉离断手术程序及止血材料局部应用的示意图。 (b) 抗凝兔肝脏出血控制（0秒、30秒和止血后）的代表性延时图像，处理组分别为无敷料（对照组）、标准纱布、战斗纱布或DC-UDCS-2.0。 (c、d) 肝脏缺损模型中失血量（c）和止血时间（d）的量化（n ≥ 5）。 (e) 腋窝血管离断模型的代表性照片，显示了标准纱布、战斗纱布和DC-UDCS-2.0的手术暴露、材料应用、血液吸附和止血后处理区域。 (f、g) 腋窝血管离断模型中的失血量（f）和止血时间（g）（n ≥ 5）。 (h) 抗凝状态下灾难性出血后的生存率。数据以均值±标准差表示。统计学显著性标记为：ns，不显著；p < 0.05；p < 0.01；p < 0.001。抗凝通过静脉注射肝素钠200 IU/公斤诱导。比例尺：1厘米。
本研究成功建立了一种结构-化学一体化的止血策略，通过工程化构建具有分级多孔结构的双交联超高度脱乙酰化壳聚糖气凝胶，实现了不依赖凝血级联反应的出血控制。其核心突破在于阐明并验证了双交联分层毛细管-弹性记忆机制：定向冰模板构建的毛细管通道加速血液浸润，触发可逆氢键的快速释放，而共价交联网络则储存并传递弹性恢复能量，驱动超快自膨胀和持续的机械填塞。这一程序化转变实现了不依赖纤维蛋白形成的物理性创口封堵，并得到阳离子壳聚糖网络介导的静电细胞聚集/粘附作用的协同增强。DC-UDCS-2.0气凝胶在临床相关时间尺度上产生高膨胀压力，在正常和抗凝出血模型中均能实现有效止血，同时兼具内在抗菌活性和良好的生物相容性。这些研究结果为处理不可压迫性出血和凝血功能障碍相关出血提供了一种可转化的材料学新范式，并为未来开发面向特定应用场景的剂型、可规模化制造以及多功能集成（如治疗药物递送）奠定了坚实基础，有望推动精准止血管理的进一步发展。
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