科學封面

科學封面(第31期)丨黑科技:每年奪去190萬生命的大出血,人類不再無能為力

編輯:葉鑫 來源:學術委員會 時間:2019年05月14日 訪問次數:776  源地址

  一年前,上海街頭發生惡性事件,兩名小學生的脖頸被刀砍傷。路人用毛巾堵住他們的傷口試圖止血,但毛巾很快被涌出的鮮血浸紅,最終沒能挽回他們年幼的生命。

 

  大出血每年奪去190萬人的生命,快速有效的院前急救措施一直存在空白。浙江大學化學系范杰教授團隊近日發明了一件“緊急止血救生衣”:用沸石棉纖維復合物做成的T恤衫,外表與普通T恤沒有任何區別,但能在關鍵時刻能止住噴流的動脈血,為搶救生命贏得時間

 

  論文A tightly-bonded and flexible mesoporous zeolite-cotton hybrid hemostat429日在發表在《自然通訊》雜志,論文第一作者為博士生余麗莎。

 

生死攸關之際,迅速止血

 

  大動脈出血十分兇險。作為血液從心臟通往各個組織的交通要道,動脈內血液的流速可超過50厘米/秒。一旦發生破裂或損傷,血流噴射而出,短時間內血液大量流失。如果失血量超過1000cc,就有可能危及生命。

 

  出血時,人體會自動啟動一套凝血機制,在血小板和凝血因子的共同參與下,血液在傷口處漸漸形成血栓,堵住傷口。“人體的生化反應緩慢而溫和。”范杰說,這一速度決定了凝血機制的能力范圍:在靜脈或毛細血管出血時能夠奏效,但像動脈出血如此劇烈的情況,緩慢的凝血進程是微不足道的。此外,包扎、按壓等傳統急救手段也顯單薄,許多大出血患者在等待救援的過程中離開了人世。

 

  現在,浙大教授讓這一暗淡的局面重現希望:一件棉T恤,或能救人性命。

 


圖:棉纖維(直徑大約25微米)上附著著沸石顆粒(直徑5微米)

 

  在電子顯微鏡下,看似普通的純棉T恤顯露了它與眾不同的樣貌:一根根棉纖維上附著有許多小圓球,直徑在5微米左右。“這些‘圓球’是沸石顆粒,它們和棉纖維共同形成的復合材料,能夠快速止住血流。”范杰說。

 

改造沸石,“化”石成衣

 

  沸石用來止血早已有之。 

 

  上世紀80年代末,美國的Frank Hursey博士刮胡子時不小心刮傷了臉,血流不止。那時,他手邊恰好有一些看起來像沙子的沸石,他抓起一把就往臉上抹,血很快就止住了。Hursey博士受到啟發,開發了一種沸石緊急止血劑并申請了專利。2003年起,裝著沸石顆粒的“止血包”已成為美國部隊隨身標配。但,這還遠不是完美的止血劑。一個比較嚴重的問題是,沸石吸水會產生大量的熱,熱量會導致傷口溫度上升,造成灼傷,影響傷口愈合。

 

  范杰對沸石進行了全面的升級和改造,實現了兩項關鍵突破:一是弄清沸石能迅速止血的分子,過去認為沸石的多孔結構讓其吸水性能特別好,但范杰發現這不是關鍵因素;二是將沸石材料成功地 “長”到棉纖維上,讓生產緊急止血毛巾或救生衣成為可能。

 

 



圖:凝血過程圖,沸石具有促進凝血的功能

 

  2015年,范杰課題組發表在《納米研究》雜志發表文章,在國際上首次揭示了沸石凝血作用的的分子機制:沸石止血不是簡單的物理吸附現象,而是發生了化學反應。課題組制備了一種Ca-沸石材料,“我們發現,沸石表面會被血漿蛋白包裹,鈣離子能從血液中捕獲并活化凝血酶,使其持續工作。”范杰說,得益于此,沸石凝血進程可以從120秒縮短至12秒,具有緊急止血的能力。

 

  隨后的幾年,科學家重點研究了怎樣讓這種性能優良的材料長到棉纖維上,他們成功了。沸石晶體緊緊地“抓”住棉纖維表面,不受水洗水沖的影響,即便用超聲波也“振”不下來。

 

 

軍用紗布大PK

 

  “3mm這么細的血管,破裂之后血就像噴泉一樣涌出來。”余麗莎第一次做動物實驗,是兔子的股動脈止血實驗。她用課題組制備的沸石止血紗布按壓半分鐘后,血完全止住了。

 

  美國作戰裝備和救護車急救器械中也有“作戰紗布”,那是一種用粘土(高嶺土)浸漬的紗布的紗布,自2007年問世以來已經應用了將近12年。在實驗室的鏡頭下,課題組做了一組止血紗布大PK,“比武臺”選擇了挑戰更大的豬頸動脈,急速流淌的鮮血讓傷口瞬間成為一個血槽(實驗用豬重40公斤):

 

  實驗人員將紗布一塊接著一塊塞入出血口,再進行按壓。使用美軍戰斗紗布的傷口在按壓10分鐘后,仍然流血不止;而使用沸石-棉纖維復合紗布的傷口,按壓5分鐘后就已經成功止血,創面不再有鮮血流出。外科醫生縫合皮膚窗口后兩小時觀察,勁動脈血流正常。

 

 


 圖:美軍戰斗紗布止血10分鐘后止血失敗

 

 


圖:沸石止血紗布5分鐘后成功止血

 

  “據我們所知,這是第一個原位無模板生長的方法合成的材料,將介孔沸石 CHAmCHA)生長到棉纖維表面,并使得棉纖維與沸石通過化學鍵緊密結合。”范杰說,棉纖維本身吸水性好,成本低,可通過編制成適用于不同傷口形狀的止血織物,是一種理想的沸石載體。

 

 

穿一件T恤,隨時隨地救援

 

  “即使赤手空拳,也能進行救援。”范杰認為這是院前急救能否成功的關鍵。很多大出血發生都在非常突然,很意外的情況下,這時人們往往身邊沒有準備額外的止血工具和材料。在科學家看來,“把沸石‘穿’在身上才是最保險的,才能使隨時隨地的救援成為可能。”

 

  在非洲,青少年的第一死因是交通意外,由于應急的醫療救治和醫療水平低,許多孩子因為失血過多而離開了人世。“我們希望他們能用上我們的緊急止血救生衣。緊急止血救生衣有望保護他們避免危及生命的傷害,”范杰說,,“沸石的成本很低,做到衣服上,也非常便宜。”

 

  據介紹,緊急止血救生衣將于今年8月問世。也有人認為,還可以用同樣的方法制造止血毛巾、止血產品等多種產品,成為戶外運動、極限運動、賽車等特殊人群的裝備,也可以作為汽車急救裝備,在各種交通意外發生時發揮作用。

 

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09849-9


  范杰課題組網址:http://www.chem.zju.edu.cn/jiefan/index.htm


  (科學撰稿人:周煒)


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