張春亮 吳治宇 張 瑜 楊 培 王凱榮 周風山 王小慧

（1.中國地質大學（北京）材料科學與工程學院，北京，100083；2.國家納米科學中心，北京，100190；3.蘭州大學第一臨床醫(yī)學院，甘肅蘭州，730000；4.首都醫(yī)科大學附屬北京安貞醫(yī)院，北京，100029；5.寧夏醫(yī)科大學總醫(yī)院，寧夏銀川，750004；6.蘭州大學基礎醫(yī)學院生物化學與分子生物學研究所，甘肅蘭州，730000；7.軍事科學院軍事醫(yī)學研究院衛(wèi)生勤務與血液研究所，北京，100850）

納米纖維素是一種可再生的、環(huán)境友好的天然材料，主要包括纖維素納米纖絲（Cellulose nanofibril，CNF）、纖維素納米晶體（Cellulose nanocrystal，CNC）和細菌纖維素（Bacterial cellulose,BC）[1-3]。納米纖維素在表面電荷、長徑比、形狀和性能等方面顯示出了優(yōu)異的可調性，在紙基功能材料、生物醫(yī)用材料和電子材料等領域得到了廣泛的應用[4-6]。

血液接觸性材料是一類重要的生物醫(yī)用材料，其在組織工程和藥物遞送領域具有重要的地位。血液接觸性材料主要包括抗凝血材料和促凝血材料。血液相容性是評估血液接觸性材料對血管內血液形成血栓能力的重要指標[7]，其調控由使用場景決定。血液透析回路管、血液透析膜、人工血管和人工心臟瓣膜等抗凝血材料必須具有優(yōu)異的血液相容性，能夠有效阻止血漿蛋白和血小板的吸附，不會激活凝血級聯(lián)發(fā)生[8]。止血材料和傷口敷料等促凝血材料必須具有差的血液相容性，能夠加速凝血的發(fā)生[9]。

納米纖維素材料具有高活性羥基、大長徑比和高強度，可以通過物理改性或化學改性，調控其抗凝血性/促凝血性。納米纖維素在血液接觸性材料領域得到了廣泛的研究[10-11]，但目前對納米纖維素在抗凝血和促凝血的應用進行系統(tǒng)性總結的文獻相對較少。本文介紹了納米纖維素基血液接觸性材料制備及其應用，并展望了未來的發(fā)展前景和面臨挑戰(zhàn)。

1 納米纖維素基抗凝血材料

納米纖維素基抗凝血材料主要通過化學改性和物理改性制備，可以有效降低血漿蛋白和血小板的吸附，阻止凝血級聯(lián)的激活，抑制血栓的形成。納米纖維素基抗凝血材料在血液透析、人工血管和心臟瓣膜領域得到了廣泛的應用。

1.1 納米纖維素基抗凝血材料的制備

1.1.1 化學改性

納米纖維素基抗凝血材料的化學改性主要包括肝素化和磺酸化。肝素化改性是指通過共價鍵固定肝素到納米纖維素的表面（圖1（a））[12]。肝素可以與抗凝血酶III結合，活化抗凝血酶III，使凝血酶、Xa因子等蛋白酶失活，延長凝血時間。1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽/N-羥基琥珀酰亞胺（EDC/NHS）是肝素化改性中最常用的酯化劑。肝素化改性的BC，其表面固定的肝素濃度可達48μg/cm，可以顯著地延長血漿復鈣時間（大于1400 s），降低血小板吸附[13]。

磺酸化改性是指使用磺化劑將納米纖維素的活性羥基取代為硫酸酯基（—OSO3-）的過程。硫酸酯基可以賦予納米纖維素具有類似肝素的抗凝血性，有效地阻止凝血發(fā)生。常用的磺化劑包括亞硫酸鹽、硫酸和三氧化硫吡啶。通過亞硫酸鹽磺酸化制備的CNF的表面具有高的—OSO3-含量（500μmol/g）和低的ζ電位（-25 mV）（圖1（b））?；撬峄梢燥@著地降低納米纖維素的形成凝血酶-抗凝血酶復合物（Throm?bin antithrombin complex，TAT）的濃度，延長激活部分凝血酶原時間（Activated partial thromboplastin time，APTT）和凝血酶時間（Thrombin time，TT）。相比于未磺酸化的CNF（TAT>10000μg/L），磺酸化的CNF在全血中的濃度為0.5～5.0 mg/mL時可以顯著地降低全血中凝血酶-抗凝血酶復合物的形成（TAT=2500μg/L），抑制血液補體激活[14]。通過硫酸磺酸化制備的CNC可達到與肝素相似的ζ電位（-37 mV）。磺酸化的CNC可以通過層層自組裝方式涂覆在纖維素基底上，阻止血漿蛋白的吸附，延長凝血時間[15]。通過三氧化硫吡啶磺酸化制備的CNC表面的—電荷密度可達330 mmol/kg（圖1（c））。相比于正常血漿，當血漿中磺酸化CNC濃度為50μg/mL時，血漿的激活凝血酶時間和凝血酶原時間從28 s和17 s分別延長到200 s和75 s以上[16]。通過三氧化硫吡啶磺酸化改性的BC延長了血漿的激活部分凝血酶原時間（APTT=42 s）和凝血酶時間（TT=25 s）。磺酸化的BC與羧甲基殼聚糖納米粒子和聚乙醇共混制備的靜電紡絲膜的APTT和TT分別為47～67 s和25～48 s，可以達到與肝素相接近的抗凝血能力（APTT=50 s和TT=33 s）[17]。

圖1 納米纖維素基抗凝血材料的制備Fig.1 Preparation of nanocellulose-based anticoagulant materials

不同的磺化劑對納米纖維素磺酸化有不同的影響。硫酸磺化法技術成熟，產(chǎn)品質量穩(wěn)定[15]，但是其反應速度慢、耗酸量大和環(huán)境污染嚴重；三氧化硫吡啶磺酸化法速度快、環(huán)境污染小、成本低[16]，但是其反應條件苛刻（濃度和用量需嚴格控制）；相比于硫酸和三氧化硫吡啶直接磺化，亞硫酸鹽磺化法屬于間接磺化，其制備工藝復雜，生產(chǎn)成本高[14]。

1.1.2 物理改性

納米纖維素基抗凝血材料的物理改性包括納米纖維素的結構調控和添加其他親水性組分，可以調控其表面的粗糙度和親水性。表面粗糙度低可降低與血小板接觸面積，阻止血小板的吸附，提高抗凝血性能[13]；表面親水性高可以減少血漿蛋白展開/構象變化，降低血小板和XII因子激活[18]。

納米纖維素通過接觸空氣成型或絲光化處理，可以提高堆積密度，降低其表面粗糙度。通過接觸空氣制備的BC管具有致密的結構和低的內表面粗糙度。相比于商業(yè)化的聚對苯二甲酸乙二醇酯管，接觸空氣制備的BC管能夠更好地抵抗血小板和白細胞的吸附，抑制血小板的激活，從而降低凝血酶-抗凝血酶復合物的形成[19]。絲光化可以提高BC晶須的直徑，使得BC管具有致密的結構和較低的表面粗糙度。絲光化后的BC管具有較低的蛋白質和血小板的吸附，可以作為小口徑人工血管使用[20]。

BC管與聚乙烯醇復合可以提高其親水性。與BC管相比，BC/聚乙烯醇復合管可更有效地阻止血小板的吸附和因子XII的激活，進一步降低了血液補體系統(tǒng)的激活[18]。

1.2 納米纖維素基抗凝血材料的應用

1.2.1 血液透析設備

血液透析是目前治療尿毒癥最有效的方法，可以有效地移除血液中毒素，降低毒素對尿毒癥病人臟器的不利影響。為保證病人的安全，理想的血液透析設備必須同時具有高效的過濾性能和優(yōu)異的抗凝血性能。血液透析設備最核心的組成部分是血液透析回路管和透析器中的血液透析膜。

納米纖維素基抗凝血材料可用于制備血液透析回路管和血液透析膜?；撬峄募{米纖維素可通過靜電作用涂覆在血液透析回路管內表面（圖2（a））或者摻雜到血液透析回路管基體中，其可以提高血液透析回路管的抗凝血性，有利于其保持長期通暢性[11,16]。納米纖維素/聚吡咯膜是一種典型的血液透析膜，其具有高的比表面積（80 m2/g）和優(yōu)異的交換容量（600～706μmol/g），可有效地移除低分子質量毒素（草酸鹽提取能力523～610μmol/g）。納米纖維素/聚吡咯膜經(jīng)肝素化后，展示了優(yōu)異的抗凝血性能，其血小板吸附量從57%減少到20%，TAT從10670μg/L減少到220μg/L。肝素涂層對納米纖維素/聚吡咯膜的離子交換容量和低分子質量毒素移除能力沒有顯著性影響[21]。肝素化改性使得納米纖維素/聚吡咯膜在血液透析中展現(xiàn)了更大的應用潛力。

1.2.2 人工血管

人工血管常用于替換病變（如血栓和動脈粥樣硬化）的動脈，治療心血管疾?。X梗、急性心肌梗死、肺栓塞和深靜脈血栓癥），實現(xiàn)血運重建。

動脈血管包括三層結構，分別是內膜、中膜和外膜。內膜的內皮細胞可分泌抗血栓分子和纖溶分子，起到調節(jié)血管張力、炎癥、脂質和組織液內穩(wěn)態(tài)以及抗血栓的作用[22]；中膜的平滑肌細胞、膠原蛋白和彈性蛋白賦予動脈優(yōu)異的力學性能（高爆破壓、良好的順應性、良好的延展性和非線性彈性）[23]；外膜的結締組織和成纖維細胞維持動脈穩(wěn)態(tài)和增加動脈剛性[24]。通過仿生設計制備的具有類似天然血管的結構和機械性能的人工血管，可以有效地阻止血栓形成，實現(xiàn)長期通暢性[8]。

BC通過管狀生物反應器、應力誘導膜卷曲和模壓方法可以制備BC基人工血管[25-26]。BC基人工血管可以很好的模擬天然血管三層結構或者抗凝血的內膜。具有形狀記憶和多層結構的BC基人工血管進行兔子頸動脈置換后，通暢性可以保持3周，并且能夠很好的與宿主組織融合，支持宿主細胞活性增長（圖2（b））[25]。絲光化的BC管具有更高的力學性能和更致密的內表面，其在進行鼠腹主動脈移植后，通暢性長達16周，支持新組織再生[20]。納米纖維素可以作為增強劑提高人工血管基材（如聚氨酯）的力學性能。納米纖維素復合材料基人工血管可以很好的模擬天然血管中膜的性質，賦予人工血管優(yōu)異的力學性能。非織造納米纖維素墊與聚氨酯膜通過堆積和模壓成型方法構建的納米纖維素/聚氨酯基人工血管具有好的彈性和大的斷裂伸長率（800%～1200%），可以很好的與天然血管的順應性匹配，有效降低血流擾動，實現(xiàn)高的通暢性[27]。

1.2.3 人工心臟瓣膜

人工心臟瓣膜可以用于替代受損的心臟瓣膜，治療瓣膜性心臟?。ㄈ绨昴おM窄或回流）[28]。理想的人工心臟瓣膜既不會因生物降解而失效，也不會因疲勞誘導而失效，同時其表面不易形成動脈粥樣硬化或斑塊。

非織造納米纖維素墊與聚氨酯膜通過堆積和模壓成型方法（壓力10000 kPa，溫度175℃和制備時間30～60 s）可以制備納米纖維素增強的聚氨酯心臟瓣膜。當納米纖維素的固含量為5%時，納米纖維素增強的聚氨酯心臟瓣膜可以保持良好的生物耐久性、抗疲勞性和抗凝血性（圖2（c））。在加速疲勞測試中，納米纖維素增強的聚氨酯心臟瓣膜循環(huán)6.8×108次后仍具有很好的力學性能[27]，在人工心臟瓣膜領域顯示了巨大應用前景。

圖2 納米纖維素基抗凝血材料的應用Fig.2 Application of nanocellulose based anticoagulant materials

2 納米纖維素基促凝血材料

納米纖維素基促凝血材料主要通過物理改性制備，包括納米纖維素的結構調控和添加其他促凝血組分。納米纖維素基促凝血材料可以通過被動止血機制（促進纖維蛋白原、紅細胞和血小板吸附和聚集引起凝血）和主動止血機制（凝血酶作用引起凝血）快速作用于出血部位，縮短止血時間和降低出血量。納米纖維素基促凝血材料在止血材料和傷口敷料領域得到了廣泛的應用。

2.1 納米纖維素基促凝血材料的制備

2.1.1 結構調控

納米纖維素基促凝血材料的結構調控主要包括：改變形貌，提高長徑比，增大比表面積和增加表面負電荷。

CNC的形貌影響血漿凝固時間。通過硫酸水解和乙酸/磷鎢酸溶解可以分別制備棒狀CNC和圓盤狀的CNC。相比于圓盤狀的CNC，當棒狀CNC在全血中濃度為0.83 mg/mL時，棒狀CNC降低了血漿復鈣時間（224 s），具有促凝血性質[29]。

CNF的長徑比和比表面積顯著影響其對血漿蛋白和血小板的吸附。通過控制球磨時間可以制備具有不同長徑比和比表面積的CNF。當球磨90 min時，CNF的長徑比和比表面積分別為166和17 m2/g，其可以將全血凝固時間、貧血小板血液凝固時間和肝素抗凝血液的凝固時間分別縮短68%、80%和54%。相比于氧化再生纖維素止血劑，CNF具有更好的止血性能[30]，這是由于CNF形成的網(wǎng)狀結構能夠捕捉血小板，促進纖維素蛋白吸附，引起內源性凝血途徑激活。

納米纖維素表面的負電荷，特別是羧基，有利于迅速地吸附纖維蛋白原和受損的紅細胞并激活血小板，同時羧基對受損紅細胞中的鐵原子具有較強的絡合能力，導致血細胞或血小板的非特異性聚集，并促進血凝塊的生成。TEMPO氧化可以在CNF表面引入羧基，制得羧基化的CNF（cCNF）。cCNF和海藻酸鈉在Ca2+交聯(lián)下制得的CNF/海藻酸復合泡沫，具有高的孔隙率（大于85%）和高的溶脹性（1399%），可以提高對紅細胞和血小板的吸附，具有優(yōu)異的止血性能[31]。

2.1.2 添加促凝血組分

納米纖維素與其他促凝血組分構建的納米纖維素基促凝血材料不僅保留了促凝血組分的生物活性，而且其多孔結構可快速吸收血液中水分，加速止血（表1）。添加的促凝血組分包括大鯢皮膚分泌物（SSAD）[32]、明膠（G）[33]、殼聚糖[34]、膠原蛋白[35]、多巴胺（PDA）[36]、血小板裂解液（PL）[37]、蠶絲蛋白（SF）和凝血酶（Th）[38]。

表1 納米纖維素基促凝血材料的制備和性能Table 1 Preparation and properties of nanocellulose based procoagulant materials

羧基化的CNF可以通過離子鍵和氫鍵與SSAD@CNC交聯(lián)形成SSAD@CNC/CNF海綿。SSAD@CNC賦予SSAD@CNC/CNF海綿大的孔徑尺寸和粗糙的孔壁，可以迅速吸收血液，濃縮紅細胞、血小板和凝血因子，加速止血。相比于纖維素海綿和明膠海綿，SSAD@CNC/CNF海綿在非壓縮性出血動物模型中表現(xiàn)出更加優(yōu)異的止血性能[32]。胺化的Ag顆粒、明膠（G）和羧基化的CNF可以通過靜電作用制備CNF/明膠/Ag水凝膠。明膠和胺化的Ag顆粒增加了CNF/G/Ag水凝膠對帶負電荷殘基的紅細胞和血小板的吸附，促進了凝血酶-抗凝血酶復合物的生成，具有很強的止血效果[33]。羧基化的CNF（cCNF）與殼聚糖發(fā)生酰胺縮合反應得到高強度的CNF/殼聚糖氣凝膠。CNF/殼聚糖氣凝膠具有相互連通的孔結構和高的水吸收能力，能迅速地吸收血液中的水分，同時殼聚糖的正電荷可與紅細胞表面的負電荷反應，進一步加速了紅細胞黏附，從而使血液凝固[39]。cCNF和SF可以通過冷凍干燥-EDC/NHS交聯(lián)制得cCNF/SF海綿。cCNF/SF海綿與Th交聯(lián)進一步制得cCNF/SF/Th海綿。相比于cCNF/SF海綿，cCNF/SF/Th海綿中的Th通過主動止血方式，激活了凝血途徑，進一步促進了血小板活化，提高了止血性能[38]。

醛基化的CNC（aCNC）與PL通過冷凍凝膠化可以制備aCNC/PL冷凍凝膠。aCNC/PL冷凍凝膠中的PL可以激活血小板，誘導紅細胞和血小板迅速地黏附和凝聚。相比于商業(yè)化明膠海綿，aCNC/PL冷凍凝膠具有很好的強度和優(yōu)異的彈性，可以更加快速地吸收血液[37]。

PDA改性的羧基化的BC（cBC-PDA）、多巴胺包覆的蒙脫土（PDA-MMT）和Ag顆粒通過冷凍干燥可以制備cBC-PDA/PDA-MMT/Ag海綿。cBC-PDA/PDAMMT/Ag海綿中的多巴胺含有大量酚羥基，可以增加與血漿纖維連接蛋白的相互作用，促進紅細胞和血小板的吸附，誘導紅細胞聚集、血小板活化和凝塊形成[36]。

2.2 納米纖維素基促凝血材料的應用

2.2.1 止血材料

止血材料可以迅速有效地控制傷口部位的出血。理想的止血材料應具有快速的止血能力、良好的生物相容性和優(yōu)異的力學穩(wěn)定性[40]。對于不可壓縮性創(chuàng)傷，止血材料還必須具有可注射性和快速的形狀恢復性[32,41]。在止血材料領域，納米纖維素基促凝血材料的形式主要是海綿和水凝膠，利用其多孔結構和活性組分實現(xiàn)快速止血（表2）。

CNF/殼聚糖（CS）（CNF/CS）海綿具有優(yōu)異的親水-疏水Janus性、良好的柔韌性、優(yōu)異的形狀記憶性和良好的細胞相容性。具有Janus性的CNF/CS海綿的親水層有利于吸收血液中水分、促進血小板聚集和激活血液補體系統(tǒng)，其疏水層有利于防止血液滲透。在兔肝損傷模型中，相比于只有親水性的CNF/CS海綿和商用化的紗布，具有Janus性的CNF/CS海綿具有更快的止血時間（83 s）和更低的血液損失量（0.60 g）[42]。負載了Th的cCNF/SF/Th海綿能夠顯著地降低鼠肝的血液損失量（0.60 g），可以達到與含有凝血酶商品止血劑（Floseal）相同的止血性能[38]。

cCNC/海藻酸（SA）（cCNC/SA）海綿具有較高的孔隙率、優(yōu)異的拉伸強度和良好的細胞相容性，有利于吸收大量的血液，提高對血小板和紅細胞的吸附能力，比商用化的紗布顯示出更加快速地止血效果（表2）。當cCNC添加量為30%時，cCNC-30/SA海綿對兔子肝的止血時間和血液損失量分別為76 s和0.54 g[31]。醛基化的CNC/血小板裂解物（PL）（aCNC/PL）冷凍凝膠具有多孔的結構、良好的機械強度、快速的壓縮回彈性和優(yōu)異的生物相容性。當aCNC添加量為0.6%時，aCNC-0.6/PL冷凍凝膠比商用化的明膠泡沫具有更好的止血性能（表2），其止血時間和血液損失量分別為85 s和0.54 g[37]。

表2 納米纖維素基促凝血材料和商用化材料的止血性能比較Table 2 Comparison of hemostatic properties between nanocellulose based procoagulant materials and commercial materials

cBC-PDA/PDA-MMT/Ag海綿具有優(yōu)異的柔韌性和良好的生物降解性。在鼠肝損傷模型中，cBCPDA/PDA-MMT/Ag海綿對鼠肝的止血時間和血液損失量分別降低到32 s和0.11 g，可以用于不可壓縮性創(chuàng)傷的止血[36]。

2.2.2 傷口敷料

傷口敷料作為一種暫時性皮膚替代物，可以用于治療皮膚損傷或灼傷。理想的傷口敷料不僅應具有快速的止血性能，還應該具有優(yōu)異的抗菌性能，可以有效降低傷口的炎癥反應，促進傷口愈合[10]。

納米纖維素基促凝血材料通過引入抗菌材料和醛基化改性，可以實現(xiàn)優(yōu)異的抗菌性能[33,35,43]。天然抗生素指甲花醌具有抗炎和抗氧化作用。通過氫鍵相互作用，指甲花醌可以負載到cCNF/CS海綿上（圖3（a））。負載指甲花醌的cCNF/CS（L-cCNF/CS）海綿能夠實現(xiàn)指甲花醌持續(xù)釋放，提高傷口部位抗菌活性。相比于商業(yè)化的殼聚糖傷口敷料，L-cCNF/CS海綿能夠上調傷口愈合相關基因表達以及纖維連接蛋白和彈性蛋白的蛋白表達，加速傷口愈合，促進皮膚重塑[44]。通過靜電紡絲/戊二醛交聯(lián)的方法，普魯蘭多糖-ZnO（Pul-ZnO）納米纖維可以修飾到氨烷基硅烷-g-BC（A-g-BC）（圖3（b））。A-g-BC/Pul-ZnO敷料能夠持續(xù)釋放ZnO顆粒抗菌，減少傷口部位炎癥。相比于BC，A-g-BC/Pul-ZnO敷料可以促進傷口愈合、再上皮化和膠原蛋白合成，并具有更快的凝血效果[45]。高碘酸鈉能夠氧化CNF葡萄糖環(huán)的中C2-C3鍵，形成2,3-二醛基結構（圖3（c））。醛基化的CNF敷料不僅具有很好的止血能力，同時顯示了優(yōu)異的抗菌性能，可以加速傷口愈合，促進血管和再上皮化的形成[43]。

圖3 納米纖維素基傷口敷料的制備Fig.3 Preparation of nanocellulose-based wound dressing

納米纖維素基傷口敷料具有良好的抗菌活性，其作為一種功能性傷口愈合替代品具有很大的發(fā)展空間。

3 結語與展望

納米纖維素具有良好的親水性、出色的力學性能和優(yōu)異的生物相容性，其在血液接觸性材料領域受到了廣泛的關注。納米纖維素基抗凝血材料主要通過對納米纖維素的肝素化和磺酸化來實現(xiàn)長期抗凝血性，可以用于表面涂覆和填料，提高血液接觸性材料的抗凝血性；納米纖維素基促凝血材料主要通過對納米纖維素的結構調控和添加促凝血組分來實現(xiàn)高促凝性，其可以用于不可壓縮性創(chuàng)傷的快速止血。雖然納米纖維素基血液接觸性材料獲得了廣泛的發(fā)展，但是仍然存在一些亟待解決的問題。

（1）納米纖維素基抗凝血材料的功能化改性?，F(xiàn)有的納米纖維素基抗凝血材料改性方法主要是通過肝素化和磺酸化，達到抑制凝血酶作用，因此需要探索更多的改性方法，如引入纖溶分子、抗血小板吸附分子和抗凝血酶分子等，可以進一步增強納米纖維素基抗凝血材料對其他凝血途徑的抑制，提高抗凝血性質。

（2）納米纖維素基促凝血材料在特定場景下的應用。對于不可壓縮性創(chuàng)傷，需要繼續(xù)探索納米纖維素基促凝血材料在快速止血的同時如何促進傷口快速愈合；對于自身凝血功能障礙的患者，需要繼續(xù)研究納米纖維素基促凝血材料如何結合被動止血和主動止血實現(xiàn)高效快速止血。

（3）納米纖維素基促凝血材料的產(chǎn)品形態(tài)。纖維素基功能材料的優(yōu)勢可以通過濕部成形、流延或真空抽濾-熱壓等方式得到纖維素紙基材料，便于大規(guī)模應用。納米纖維素基促凝血材料，特別是止血材料，目前主要是海綿和凝膠形態(tài)，探索采用濕法造紙工藝或后涂布工藝生產(chǎn)止血產(chǎn)品，將會大范圍的拓展這一類材料的應用。