二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶及其制备方法和应用

本发明属生物材料领域，具体涉及创伤快速止血和肝脏伤口愈合材料的制备方法及其应用，特别涉及一种二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶及其制备方法和其在快速止血和肝脏创伤愈合中的应用。

背景技术：

1、意外事故和手术出血等创伤引起的不可控出血是导致死亡的主要原因之一，具备优异止血性能的材料对紧急创伤救助十分重要。时至今日，如止血带、医用纱布、明胶海绵、止血粉、纤维素复合材料、止血水凝胶等一系列材料已被证明能用于有效止血。其中，医用纱布，明胶海绵，止血带常被用于小型、浅层出血伤口的止血。然而，一些内脏创伤如病变肝脏大范围切除后产生的创伤，具有大面积、不可压迫和深度不规则等特点，传统止血材料难以快速止血。另一方面，肝脏愈合对于伤者生理功能的恢复尤为重要，而传统止血材料通常不具备促进肝脏伤口愈合的功能，肝脏创伤的快速止血和伤口愈合依旧极具挑战。

2、美国食品和药物管理局(fda)于2002年批准了基于沸石的外用止血剂“quikclot”，至今，将无机粉体材料用于快速止血已有广泛的研究，且无机成分能通过降解释放生物活性离子从而促进组织新生和再血管化，表现出良好的生物活性。然而，无机粉体材料难以固定，不便应用于不规则肝脏创伤的止血和愈合，且其大多都具有本征脆性的特点，也难以成型为具有良好柔韧性和回弹性的块体材料。另一方面，已有广泛研究报道将高分子材料，如水凝胶、纤维膜[1-2]等，用于肝脏创伤愈合，fda还于2022年批准了一种基于氧化再生纤维素的可吸收止血剂surgicel snowtm，适于复杂深度肝脏创伤的快速止血和组织愈合。由此可见，若能发展高无机含量甚至纯无机的，具有良好柔韧性和回弹性的块体材料，不仅能够满足复杂肝脏创伤的止血需求，还可以发挥无机材料优异的生物活性来促进肝脏创伤愈合，有望满足深层次的临床需求。然而，现阶段将无机块体材料应用于复杂肝脏创伤止血和愈合的研究仍是一大空白，发明相关材料具有重要意义。二氧化硅无机纳米纤维是一种特殊的无机材料，不同于脆性无机材料，其具有优异的柔韧性，可弯曲、可回弹。依此特性，研究人员可将二氧化硅无机纳米纤维与多种材料复合并制备轻质气凝胶，如sio2/go复合气凝胶，sio2/sic复合气凝胶[3-4]等，这些气凝胶具有轻质、高弹、耐高温等特性，常被作为隔热材料。然而，将二氧化硅无机纳米纤维气凝胶应用于生物医用材料领域特别是快速止血和肝脏创伤愈合的研究则鲜有报道，这主要是因为二氧化硅是一种生物活性较弱的材料，其不具备促进创伤愈合的功能。因此，可通过化学合成法在二氧化硅无机纳米纤维表面生长活性硅酸盐，赋予其生物活性以解决上述不足，制备一种具有优异止血性能和生物活性，并用于快速止血和肝脏创伤愈合的无机材料。

3、参考文献：

4、[1]nadi,a.；moradi,l.；ai,j.；asadpour,s.,stem cells and hydrogels forliver tissueengineering:synergistic cure for liver regeneration.stem cellreviews and reports,2020,16:1092–1104.

5、[2]perez,r.a.；jung,c.r.；kim,h.w.,biomaterials and culturetechnologies for regenerativetherapy of liver tissue.advanced healthcarematerials 2017,6,1600791.

6、[3]zong,d.d.；cao,l.t.；yin,x.；si,y.；zhang,s.c.；yu,j.y.；ding,b.,flexible ceramicnanofibrous sponges with hierarchically entangled graphenenetworks enable noise absorption.nature communications 2021,12:6599.

7、[4]su,l.；wang,h.j.；niu,m.；dai,s.；cai,z.x.；yang,b.g.；huyan,h.x；pan,x.q.,anisotropicand hierarchical sic@sio2 nanowire aerogel with exceptionalstiffness and stability for thermalsuperinsulation.science advance 2022,6:eaay6689.。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶及其制备方法和其在制备快速止血材料与肝脏创伤愈合材料中的应用。

2、一方面，本发明提供了一种二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶，包含二氧化硅基无机纳米纤维和二氧化硅溶胶组成的三维气凝胶；其中，所述二氧化硅基无机纳米纤维和二氧化硅溶胶的质量比为(3～7)：1，优选为5∶1。

3、在本发明人前期研究过程中发现，止血材料需要优良的亲水性、对水和血液渗出液的快速吸收能力，使凝血因子、红细胞和血小板能够迅速聚集形成血栓和血凝块，防止进一步出血。二氧化硅基无机纳米纤维是一种具有良好柔韧性的无机材料，具有高比表面积、亲水性和负电荷表面，不仅有利于红细胞、血小板等凝血因子的富集，还可以激活的内源性凝血途径；其表面的活性硅酸盐层还可降解以释放生物活性离子，起到促进肝脏创伤愈合的功能。二氧化硅溶胶则可以与富含硅氧键的二氧化硅基无机纳米纤维结合以增强机械性能。

4、在本发明中，利用二氧化硅基无机纳米纤维和二氧化硅溶胶制备了一种具有有效止血活性和生物活性的二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶，用于快速止血和肝脏创伤愈合。这种止血气凝胶材料完全由生物相容的二氧化硅基无机纳米纤维和二氧化硅溶胶通过冷冻干燥技术制成，该方法简单、成本低，并可大规模制造。本发明首次制得具有高孔隙率、吸水率，良好回弹性、亲水性，优异体内止血活性，且能够促进肝脏创伤愈合的二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶，具有良好的临床应用前景。

5、较佳的，所述二氧化硅基无机纳米纤维的化学组成为sio2、ca2+@sio2、mg2+@sio2和sr2+@sio2中的至少一种；其中ca2+@sio2中ca元素、mg2+@sio2中mg元素、sr2+@sio2中sr元素的掺杂含量分别为1.5～2.0％、4.7～6.0％和1.6～2.1％；

6、所述二氧化硅基无机纳米纤维的直径为200～600nm，长度为10～200μm。

7、较佳的，所述二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶具有三维通孔结构，孔隙率为98.94～99.04％，孔径分布为10～200μm。

8、较佳的，所述二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶，在40％应变下反复压缩回弹条件下的抗压强度为1～3kpa；

9、所述二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶的吸水率为9700～9900％，zeta电位为-20～-28mv。

10、再一方面，本发明提供了一种二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶的制备方法，包括：

11、(1)利用静电纺丝法和水热合成法制备得到二氧化硅基无机纳米纤维；

12、(2)以二氧化硅基无机纳米纤维、二氧化硅溶胶和溶剂为原料，通过冷冻干燥技术制备得到所述二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶。

13、本发明中，采用静电纺丝法和水热合成法制备二氧化硅基无机纳米纤维，并利用冷冻干燥技术进一步制备了具有三维通孔结构的二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶，该方法具有工艺简单，条件容易控制的优点。另一方面，高孔隙率结构使止血材料具有更强的吸水能力，而冷冻干燥技术是制造高孔隙率材料的合适方法。而且，本发明通过水热合成在生物活性较弱的二氧化硅纳米纤维表面生长了具有良好生物活性的硅酸盐层，改善了其生物学应用范围，同时探究了二氧化硅基纳米纤维气凝胶在快速止血和肝脏伤口愈合的生物医用性能。

14、较佳的，步骤(1)包括：

15、(a)将聚乙烯醇水溶液和二氧化硅溶胶溶液混合搅拌，得到聚乙烯醇/二氧化硅溶胶前驱体混合溶液；

16、(b)将所得聚乙烯醇/二氧化硅溶胶前驱体混合溶液进行静电纺丝和烧成，得到二氧化硅无机纳米纤维膜；

17、(c)将二氧化硅无机纳米纤维膜和去离子水混合，经过搅拌分散和离心，取沉淀物后再经干燥，得到二氧化硅无机纳米纤维；；

18、(d)将二氧化硅无机纳米纤维和去离子水混合后，再依次加入氯化铵、氨水和氯化盐并混合，得到混合溶液；

19、(e)将所得混合溶液经过水热合成处理，再经离心、洗涤和干燥，得到二氧化硅基无机纳米纤维。

20、又，较佳的，步骤(a)中，所述聚乙烯醇水溶液和二氧化硅溶胶溶液的质量比为(0.5～2)：1，优选为1：1；所述聚乙烯醇水溶液的浓度为5～15wt.％，优选为10wt.％；所述二氧化硅溶胶溶液是由正硅酸乙酯、磷酸和去离子水混合后得到；优选，所述二氧化硅溶胶溶液中正硅酸乙酯、磷酸和去离子水的质量比为1∶0.025∶8；

21、步骤(b)中，所述静电纺丝的参数包括：直流电压为15～20kv，接收距离为17～24cm，给料速度为0.8～1.2ml/h；优选，直流电压为17kv，接收距离为20cm，给料速度为1ml/h；所述烧成的温度为700～900℃、优选为800℃，时间为2～5h、优选为3h，优选升温速率为5℃/min；

22、步骤(c)中，所述搅拌分散的转速为5000～12000rpm、优选为10000rpm，时间为5～15分钟、优选为10分钟；所述离心的转速为8000～12000rpm、优选为10000rpm，时间5～20分钟、优选为10分钟；所述干燥的温度为37～80℃、优选为60℃，时间为12～48小时、优选为24小时；

23、步骤(d)中，所述二氧化硅无机纳米纤维和去离子水质量比为(1～5)：800、优选为3∶800；所述二氧化硅无机纳米纤维、氯化铵、氨水和氯化盐的比为1mol∶4mol∶0.4l∶0.125mol；

24、步骤(e)中，所述水热合成处理的温度为130～150℃、优选为140℃，时间为8～24小时、优选为12小时。

25、又，较佳的，所述聚乙烯醇为1788型；

26、所述氯化盐为多种不溶性硅酸盐的金属阳离子氯化盐，优选为氯化钙、氯化镁和氯化锶中至少一种。

27、较佳的，步骤(2)中：所述二氧化硅溶胶包含正硅酸乙酯、磷酸、去离子水和无水乙醇混合得到；优选，所述正硅酸乙酯、磷酸、去离子水和无水乙醇的质量比为1：(0.003～0.005)：(3～5)：(9～11)，优选为1∶0.004∶4∶9；

28、所述溶剂为去离子水；所述二氧化硅基无机纳米纤维、二氧化硅溶胶和溶剂的质量比为1：(7.14～16.66)：(102.34～111.86)，优选为1∶10∶109；

29、所述冷冻干燥技术所用模具为硅胶模具；所述冷冻干燥包含冷冻处理和真空干燥处理；所述冷冻处理的温度为-20～-80℃、优选为-80℃，时间为0.5～2小时、优选为1小时；所述真空干燥处理的真空度为10～70pa，真空干燥时间为24～48小时。

30、再一方面，本发明提供了一种二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶在制备创伤快速止血材料和肝脏伤口愈合材料中的应用。本发明探究了二氧化硅基纳米纤维气凝胶在快速止血和肝脏伤口愈合方面的功能。本发明所得二氧化硅基纳米纤维气凝胶作为一种吸收性止血材料，其具有高效且快速的吸收性(高吸水率和高亲水性)，这意味着其可以快速吸收血液并富集红细胞、血小板和凝血因子以加速原发性止血过程。此外，二氧化硅基纳米纤维气凝胶还具有负表面电荷(负zeta电位)，其可以激活内源性凝血途径以加速继发性止血过程。综合以上两点，本专利所制备的二氧化硅基纳米纤维气凝胶显示出优异的止血性能。

31、有益效果：

32、本发明的二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶具有良好的回弹性、吸水性、亲水性，优异的止血活性和生物活性，动物实验证实，二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶具有优异的体内快速止血性能和促进肝脏创伤愈合的双重功能。因此，二氧化硅基无机纳米纤维止血气凝胶是一种新型的双功能生物材料，在快速止血和肝脏创伤愈合的临床应用上具有广泛前景。