针对上述问题，来自温州医科大学潘景业教授研究团队之前开发了一种碳化纤维素气凝胶在体外和体内都表现出优异的血液吸收和凝血能力。现在旨在进一步开发一种CNT增强碳化纤维素 - 明胶气凝胶，检测它们的亲水性、机械性能、凝血和止血能力以及近红外照射反应，并探索它们在体内不受控制的大出血和伤口愈合中的作用。该文章于2025年4月14日以“Carbon Nanotube Reinforced Carbonized Cellulose Aerogels for Enhanced Hemostasis and Accelerated Skin Wound Healing”为题发表于《Advanced Functional Materials》（DOI：10.1002/adfm.202417798）。

（1）碳化纤维素/明胶/CNT复合气凝胶的制备与表征

首先，将明胶溶液与碳化蘑菇混合，制备碳化纤维素/明胶复合物（图1A），再等比例加入胺化和羧化碳纳米管（CNT）。随后加入等体积京尼平溶液，于37°C交联24小时（图S1A）。共制备含0、0.375、0.75、1.5 wt%CNT的复合水凝胶，冷冻干燥后得复合气凝胶。SEM图像显示，随着CNT含量增加，气凝胶孔径减小，平均孔径依次为175.4、151.1、113.9 和87.2 µm（图1B、C）。接触角测试显示，CNT提高了气凝胶的亲水性，接触角分别为82.8°、79.5°、73.2°和67.9°（图1E），均低于明胶海绵。Zeta电位也显著降低，分别为−40.5、−35.1、−35.6 和 −36.0 mV，而明胶海绵仅为−2.54 mV（图1F）。

图1 碳纳米管增强碳化纤维素气凝胶的制备与表征。（A）复合气凝胶合成工艺示意图；（B）SEM图像分别显示CNT浓度为0、0.375、0.75和1.5 wt%的复合气凝胶的多孔结构；（C）复合气凝胶的平均孔径；（D）与明胶海绵对照相比，不同CNT浓度的复合气凝胶的接触角图像；（E）不同CNT浓度的复合气凝胶的接触角量化；（F）不同CNT浓度的复合气凝胶和明胶海绵的Zeta电位测量。n=3个独立样本。*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001

（2）复合气凝胶的力学性能及溶胀性能

优异的压缩性能可增强止血钳和压迫装置的支撑效果。实验表明，添加CNT显著提升了气凝胶的机械强度（图2A-C），其杨氏模量由0 wt%CNT的3.08 MPa增至1.5 wt%的13.11 MPa（图2C）。此外，复合气凝胶在吸水和吸血后均表现出良好的压缩性和形状恢复性，适用于填塞深部伤口（图2D）。吸收性能方面，含0至1.5 wt%CNT的气凝胶吸水量由9.14 g/g增至10.54 g/g，吸血量由8.07 g/g增至9.23 g/g（图2E-F）。所有样品在吸水后几乎100%恢复形状，吸血后恢复率超过90%（图2G）。

图2 碳纳米管增强碳化纤维素气凝胶的机械性能和溶胀性能。（A）复合气凝胶压缩试验程序示意图；（B）分别含有0、0.375、0.75和1.5 wt% CNT的复合气凝胶的压缩曲线；（C）四种复合气凝胶的杨氏模量；（D）显示在水和血液中压缩前后复合气凝胶形状恢复的照片；（E）复合气凝胶的最大水吸收能力；（F）复合气凝胶的最大血液吸收能力；（G）不同CNT含量的复合气凝胶吸收水或血液后的形状恢复率。n=3个独立样本。*p<0.05，**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001

（3）复合气凝胶的生物相容性

高生物相容性是止血材料应用的基础。活/死染色和细胞增殖实验表明，复合气凝胶对L929细胞无明显毒性，存活率始终高于80%（图3A-B）。血液安全性测试显示，除1.5 wt%CNT在2500 µg/mL浓度下溶血率略超5%，其余样品均符合标准（图3C-D）。此外，0.75 wt%CNT气凝胶与HSF细胞共培养时促进细胞增殖。因此，出于生物安全考虑，后续实验中不再使用1.5 wt% CNT气凝胶。

图3 碳纳米管增强碳化纤维素气凝胶的体外生物相容性。（A）L929细胞与四种复合气凝胶提取物共孵育第1天和第3天的活/死染色图像；（B）用不同复合气凝胶提取物处理1、3和7天后的L929细胞活力；（C）在625、1250和2500 µg mL⁻¹浓度下测试了含有0、0.375、0.75和1.5 wt% CNT的复合气凝胶的溶血试验结果；（D）溶血试验的定量分析。n=3个独立样本

（4）体外止血特性

通过凝血指数（BCI%）评估复合气凝胶的止血性能。与纱布和明胶海绵相比，复合气凝胶形成的凝块更牢固，表现为更低的BCI值，且随时间降低，0.75 wt%CNT组效果最显著（图4A-B）。红细胞和血小板粘附实验表明，气凝胶显著优于对照组，0.75 wt%CNT样品表现最佳（图4C-E、图S4）。SEM结果显示，气凝胶表面附有大量红细胞和纤维蛋白，而纱布和明胶海绵仅少量附着（图4D）。CD62p表达水平也在0.75 wt%CNT组达到最高，表明其强血小板活化能力。此外，APTT结果显示复合气凝胶可通过激活内源性凝血途径加速止血。

图4 碳纳米管增强碳化纤维素气凝胶的体外止血能力。（A）凝血实验比较了含有0、0.375和0.75 wt% CNT的三种复合气凝胶，在1、2、3、4和5分钟时进行体外测试，纱布和明胶海绵作为对照；（B）纱布、明胶海绵和三种复合气凝胶在不同时间点的血液凝固指数（BCI, %）（n=3）；（C）纱布、明胶海绵和复合气凝胶上粘附的红细胞（RBC）百分比（n=3）；（D）SEM图像显示红细胞粘附在不同CNT浓度的纱布、明胶海绵和复合气凝胶表面；（E）SEM图像描绘了不同复合气凝胶、纱布和明胶海绵表面的血小板活化和粘附。**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001

（5）体内止血能力

鉴于0.75 wt%CNT复合气凝胶在体外性能最佳，选其用于进一步动物实验。断尾和肝穿孔模型显示，该气凝胶显著减少失血量（断尾：0.40 g，肝穿孔：0.16 g）并加快止血时间（断尾：135 s，肝穿孔：94 s），均优于纱布和明胶海绵（图5A-H）。与其他材料比较，本气凝胶止血时间快于XStat（约240 s）和明胶海绵（158 s），接近Zhao等的CNT水凝胶（85 s），虽略慢于Huang等的冷冻凝胶（62 s），但具备不产热、避免组织烧伤的安全优势。

图5 碳纳米管增强碳化纤维素气凝胶在大鼠体内的止血能力。（A）示意图和（B）照片显示纱布、明胶海绵和0.75 wt% CNT复合气凝胶在大鼠尾部截肢出血模型中的止血性能；（C）定量分析同一模型中纱布、明胶海绵和0.75 wt% CNT复合气凝胶的总失血量和（D）止血时间；（E）照片显示纱布、明胶海绵和0.75 wt% CNT复合气凝胶在大鼠肝穿孔出血模型中的止血效果和（F）止血效果的对比；（G）定量分析大鼠肝穿孔出血实验中的总失血量和（H）止血时间。每组3只大鼠。**p<0.01，***p<0.001，****p<0.0001

（6）光热特性增强体外血液凝固

在1 W/cm²、808 nm近红外（NIR）激光照射下，复合气凝胶表现出优异的光热性能。0.75 wt% CNT 气凝胶在10分钟内温度升高至60.6°C，三次加热循环后仍表现出稳定的光热转换性能（图6A-B）。借助光热效应，其可模拟美军QuikClot材料，通过局部升温促进血液凝固。实验中，将气凝胶与抗凝全血和CaCl₂混合后接受NIR照射。结果显示，0.75 wt% CNT组的凝血时间从163.3 s降至126.7 s，显著快于明胶海绵组（图6C-E）。NIR对对照组和明胶海绵无明显影响。进一步的力学测试表明，辐照增强了凝血后气凝胶的强度（图6F-I），证实NIR辐射不仅加速凝血，还提高血凝块稳定性。

图6 复合气凝胶的光热特性可增强体外血液凝固。（A）0、0.375和0.75 wt% CNT复合气凝胶在NIR辐照（时间间隔为0、2、4、6、8和10分钟）后的光热图像；（B）复合气凝胶在三个NIR辐照周期中的升温-冷却曲线；（C）示意图说明NIR辐照复合气凝胶如何促进血液凝固；（D）明胶海绵、0.75 wt% CNT复合气凝胶和NIR辐照0.75 wt% CNT复合气凝胶的血液凝固性能，（E）相应凝固时间，以新鲜抗凝全血作为对照；（F）凝固后气凝胶的压缩曲线，（G）拉伸曲线，（H）压缩杨氏模量，（I）拉伸杨氏模量的定量分析。n=3个独立样本。**p<0.01，****p<0.0001

（7）体内伤口愈合

采用小鼠皮肤伤口模型评估了0.75 wt% CNT复合气凝胶的愈合能力。结果显示，其愈合速度显著快于对照组，与临床对照材料PELNAC相当（图7A-B），且14天后伤口面积最小。HE染色显示，复合气凝胶组在第7天已有明显再上皮化，14天几乎完全愈合，并出现更多再生毛囊，表明愈合质量较高（图7C）。Masson染色进一步显示胶原沉积和血管生成增加（图7D）。免疫染色分析表明，气凝胶组可抑制促炎性M1巨噬细胞（CCR7）表达，同时增强促修复的M2型（CD206）表达，有利于组织再生（图S8）。

图7 体内伤口愈合。（A）对照组、PELNAC组和0.75% CNT复合气凝胶组在第3、7和14天的伤口愈合进展；（B）对照组、PELNAC组和0.75% CNT复合气凝胶组在每个时间点的伤口愈合面积量化（n=6）；（C）治疗7天和14天后整个伤口部位的H&E染色图像；（D）Masson三色染色显示治疗7天和14天后对照组、PELNAC组和0.75% CNT复合气凝胶组伤口中的胶原沉积。统计学意义表示为**p<0.01、***p<0.001、****p<0.0001

（8）体内血液灌注测试

为评估复合气凝胶的促血管生成作用，开展皮下植入实验。将含有0.75 wt% CNT的复合气凝胶植入小鼠体内，并每天接受5分钟NIR辐射（图8A-C）。一周后，激光散斑成像显示，NIR照射组血液灌注明显增强（图8D-G），定量数据显示其灌注量为（145.3 ± 18.60）PU，显著高于未照射组的（73.08 ± 8.30）PU（图8H）。三色染色进一步证实，NIR辐射显著促进新生血管形成（图S9）。

图8 复合气凝胶光热效应对血管生成的影响。（A）示意图显示在小鼠皮下植入模型中复合气凝胶在NIR照射下的光热效应；（B）复合气凝胶在NIR照射后的光热图像和（C）相应的温度变化；（D）皮下植入7天后0.75% CNT复合气凝胶的代表性激光散斑图像和（E）血液灌注测量（10秒内）；（F）皮下植入7天后经NIR照射的0.75% CNT复合气凝胶的代表性激光散斑图像和（G）血液灌注；（H）有或没有NIR照射的0.75% CNT复合气凝胶的平均灌注量（PU）的定量分析（n=6）。****p<0.0001