电场改性原位精确沉积电纺医用胶纤维在肝脏上用于快速止血

背景

肝切除术是治疗肝脏癌症的有效方法[1]。然而，由于该特殊部位的血管丰富，肝切除术中通常会发生大量出血[2]。不及时止血会导致严重的器官衰竭，甚至危及人的生命[3]。目前的止血方法主要集中在缝合和结扎等机械方法，电灼等热方法[4]，以及使用纤维蛋白封闭剂[5, 6]、明胶基质[7]和壳聚糖水凝胶粘合剂等止血剂[8]。 ]。当然，它们都有明显的优点和局限性。例如，缝合是最有效的止血方法，但需要一个及时、细致的过程；否则，它会导致长期缺血 [9]。同样，热方法会损伤局部组织，并可能使其与无法轻易区分的正常组织异常[10]。此外，广泛用于止血的纤维蛋白封闭剂容易导致人体的不良免疫反应，同时也存在保质期短、易受微生物侵入、价格高等缺点[11]。相比之下，电子纺丝技术因其特殊功能而在止血方面显示出卓越的潜力，例如使用较少的剂量和即使表面不规则的伤口部位也能进行涂层 [12, 13]。然而，现有的用于止血的电子纺丝技术和装置仍有几个问题需要克服：（1）体积和重量太大，不易携带，（2）纤维沉积不准确[14]需要更长的时间以达到同样的止血效果，但术后也可能造成组织粘连，(3) 依赖城市供电，不适合在室外和偏远无电源地区使用[15]。尽管我们小组最近报道了一种气流辅助电子纺丝技术，该技术利用气泵鼓风机来实现纤维的定向沉积 [12]，但它需要为气泵提供额外的电源。因此，迫切需要一种不以电力为主要依赖，但可以实现纤维定向沉积以实现快速止血的便携式电子纺丝技术和装置。

由于静电相互作用，放置在静电场中的金属板会在其表面产生感应电荷，这会产生新的电场，从而改变原来的静电场分布[16,17,18]。另一方面，电子纺丝过程利用静电场期间带电射流的不稳定鞭打和分裂来实现微/纳米纤维，并最终沉积在接地的收集器上 [19, 20]。带电射流对静电场的分布很敏感，因此通常通过改变电压来获得更细的纤维[21, 22]。因此，基于上述原理，我们可以在 e-spinning 过程中引入金属板，通过改变静电场的分布来减小飞行射流的发散角，从而产生更多定向的沉积。此外，我们将临床使用的氰基丙烯酸酯（CA）医用胶[23]作为止血药物[24]，因为临床上通常需要大剂量形成厚膜进行止血。但是，由于CA医用胶的厚度较大，该薄膜具有刚性。相反，通过电子纺丝方法产生的聚合物纤维膜通常足够灵活和紧凑[25]。因此，采用静电场改良方法在肝脏上精确沉积CA医用胶，对快速止血具有重要意义。

在这项研究中，我们提出了一种电场改进的电子纺丝技术，以实现医用胶纤维在肝脏切除部位的可控精确沉积。电纺纤维的沉积范围可通过改变金属锥体的尺寸进行调节。这种电场改进的电子纺丝方法进一步用于原位精确沉积医用胶N 2-氰基丙烯酸辛酯 (NOCA) 纤维附着在大鼠肝脏切除部位，可在 10 秒内实现快速止血。术后病理结果表明，与传统气流辅助组相比，该电场改良电纺组的炎症反应和组织粘连较少。该技术与我们设计的手持式电子纺丝设备相结合，具有便携性和精确沉积特性，可用于紧急医疗、诊所、野外生存和家庭护理。

方法

材料

由N组成的快速医用粘合剂α-氰基丙烯酸酯（CA） 2-氰基丙烯酸辛酯和医用级聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，一种增加粘度的添加剂）由广州白云医用胶粘剂有限公司提供，未经进一步纯化即使用。水合氯醛购自阿拉丁公司，稀释至10%用于进一步麻醉。

体内止血实验

大鼠肝切除术后止血实验采用40只成年雄性SD大鼠，体重300~350g。将这些大鼠随机分为两组进行原位气流辅助（n =20) 和电场修正的电子自旋 (n =20)处理。每只大鼠术前接受 0.7 ml 10% 水合氯醛，然后剖腹，去叶，50% 肝切除，然后进行原位电场改良（电极边长 2.5 cm，电极角 60°，e -旋转距离为 10 厘米，电压为 10 kV）或气流辅助（出口直径为 1.2 毫米，电压为 10 kV，流速为 120 μl min ^-1 ，和 10 cm 的电纺距离）电纺 NOCA 纤维。每只大鼠的整个过程大约需要 20 分钟。所有操作程序均符合国家动物实验学院规章和高校动物研究委员会管理规定。

验血和病理切片

术后第3天和第5天通过心脏穿刺采集血样进行白细胞（WBC）计数检测和肝功能检查。术后第7天处死大鼠，摘除肺叶，再用4%中性福尔马林溶液固定肺叶，石蜡包埋，苏木精伊红（HE）染色。

电场模拟

采用有限元分析方法模拟电场分布。几何模型由 12 kV 电源、带有铜锥的铜针和空气中的铝收集板组成。针长、锥径、接收距离参数分别设置为3、5、10 cm。

特征化

SEM 成像在 Hitachi TM-1000 扫描电子显微镜上进行。在 Nicolet In10 光谱仪上测量傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱以分析纤维的分子间结构。使用光学显微镜（Olympus BX51）寻找沉积边界并评估沉积区域。采用Casio Exilim相机记录活体肝切除过程。

结果与讨论

用于精确沉积的电场改性 E-spinning

图 1 和附加文件 1：图 S1 显示了我们自制的手持式电子纺纱设备，配备了电场修正电子纺纱技术。它采用两节无汞碱性AAA电池（直径10毫米，高44毫米；LR03，福建南平，中国南孚电池）作为电源，配备高压转换器，摆脱城市供电的限制，大大发展在户外便携使用。重要的是，与我们最近报道的电子纺丝装置 [11] 显着不同，在纺丝针上配备了尺寸可调的金属锥。金属锥体的引入会改变原来的电磁场分布并影响电纺过程。需要注意的是，触电等安全问题通常是由大电流而不是高电压引起的。本研究中，手持设备有一个转换器，用于保持高电压和低电流以确保安全。

电场修饰电纺NOCA纤维肝切除止血示意图

图 2a 显示了来自医用胶的 NOCA 纤维的 SEM 图像。 NOCA 纤维的直径约为 1~3 μm，这些纤维呈现出连续的纤维形态。图 2b 显示了这些 NOCA 纤维的 FTIR 光谱。 714 cm ⁻¹ 处的峰值 , 2761 cm ⁻¹ , 和 1732 cm ⁻¹ 分别对应于–CH2–、–C≡N 和–C=O 的振动。 3127 cm ⁻¹ 处的峰值 对应于=CH-的几乎消失，这是由于电纺过程中单体分子中的大多数烯基C=C键转化为聚合物链的聚合过程引起的。此外，我们研究了金属锥体的尺寸与定向沉积之间的关系。如图 2c 所示，当针尖和收集器之间的距离固定在 10 cm 时，沉积区域的直径随着金属锥尺寸的减小而减小。这种现象可能是由于随着金属锥尺寸的减小，静电场将被限制在更窄的范围内 [26, 27]，因此，e-spinning 中的鞭打过程将受到更多限制，导致沉积面积更小.此外，还研究了电子旋转距离与沉积面积之间的关系（图 2d）。附加文件 1：表 S1 显示了三种不同电子旋转方法的沉积宽度，随着电子旋转距离的增加。混凝土沉积发现，沉积面积随着电纺距离的增加而增加，这与传统的电纺结果一致。然而，与传统的 e-spinning 相比，我们的带有金属锥体的电场修饰 e-spinning 带来了更小的沉积面积，即更好的定向沉积。即使与我们最近报道的气流辅助电纺相比，这种电场改进的电纺也表现出更好的定向沉积。如图 2c、d 所示，调整电子自旋距离和金属锥的边长可以使电场聚焦并带来更强的会聚力。虽然一些较近的部分，如腹部的皮肤或肌肉，可能会产生吸引飞行射流的力，但我们可以调整这两个参数以产生更强的会聚力，从而减少这种吸引力的负面影响。另外，气流辅助电纺需要额外给气泵供电，而这种现场改良的电纺可以摆脱它，带来更多便利。

一 SEM 图像和 b 通过电场辅助电纺装置获得的 NOCA 纤维的 FTIR 光谱。作为 c 函数的沉积面积大小 金属锥体直径和d 电纺距离

精密沉积机理分析

为了理解这种配备金属锥体的电子纺丝装置可以带来更小的沉积面积的原因，他们进一步进行了电场模拟。图 3 显示了配备和不配备金属锥体的电子纺纱模型的电场分布。红色箭头代表电场线，其方向和长度分别代表该点电场的方向和强度。传统的电纺是没有金属锥的（图 3a），而我们的电场修正电纺是有金属锥的电纺（图 3b）。如图3所示，从针头到收集板的方向上，电位（色条）显着降低，因此带正电荷的纤维可以聚集在收集板上。更有趣的是，比较图3a和b，在图3b中观察到更强的电场强度和更小的电场方向发散角，这些现象在靠近金属锥时更明显。它改变电场的作用就像凸透镜对光的会聚作用。电场线是会聚的，从而导致电场方向的发散角更小。而且，由于这种收敛和电场的叠加原理，同一位置的电场强度也会变大。插图是从同一区域中选择的代表性电场线，并放大。场强为 4 × 10 ⁵ 图 3b 插图中的 V/m，大于 3 × 10 ⁵ 图 3a 插图中的 V/m，表明添加金属锥后空间中出现较大的电场强度。并且电场方向的发散角在图 3b 插图中为 6°，小于图 3a 插图中的 20°。这些结果表明，这种配备金属锥体的电场改性电子纺丝技术可以带来更小的沉积面积，这可归因于更强的电场强度和更小的发散角，从而限制了在更窄空间中飞行的带正电纤维，从而限制了它们沉积到较小的区域。

配备a的电纺模型的电场分布 没有和 b 用金属锥。插图是同一区域的放大图像，显示了场线与垂直方向的夹角

体内快速止血和分析

图 4a-c 显示了大鼠肝切除术中止血的主要过程。 NOCA 纤维使用这种电场改进的电子纺丝技术在 10 秒内实现了快速有效的止血，这比气流辅助电子纺丝技术更快。这种现象可归因于电场改进的电纺比图 2d 中验证的气流辅助电纺具有更好的定向沉积，这意味着相同数量的医用胶可以更准确地沉积在伤口部位。相同的电子纺纱时间。事实上，临床上使用的NOCA医用胶通常采用喷涂的方式[28,29,30]，而沉积面积较大，导致一些组织粘连严重，难以进行拆线、拆线等术后操作。甚至造成二次伤害。更好的定向沉积不仅可以更快地止血，还可以避免组织粘连。图 4d 显示了沉积在肝脏表面用于止血的 NOCA 纤维的横截面 SEM 图像。结果表明，NOCA 纤维紧密粘附在肝脏切片表面，形成致密的纤维膜，其厚度约为 50 μm，电纺时间为 10 s。在这 10 秒的短电纺时间内，通常由疲劳引起的手抖引起的距离变化很小，通常不超过 1 厘米，因此沉积范围的变化很小。更有趣的是，肝脏切片的表面并不光滑，而是形状不规则（图 4c），而 NOCA 纤维可以以均匀的厚度沉积在这个不规则的表面上（图 4d），这意味着这种电场修饰的 e -旋压技术在快速止血方面具有独特的优势，即使是在一些不规则的器官表面。

通过原位电场辅助电子旋转在大鼠肝切除模型中止血。 一 分离肝脏并暴露肝叶。 b 将肺叶游离并用手术缝合线固定以暂时阻断肝血流。 c 进行了肝切除术，并使用我们的电场辅助电子纺丝设备将 NOCA 医用胶纤维沉积在伤口部位。 d 沉积在肝脏表面止血的NOCA医用胶纤维的横截面SEM图像

WBC 计数测试（图 5a）用于评估大鼠肝切除和止血引起的术后感染。手术后五天，白细胞数（P <0.05) 电场修饰电纺组显着低于常规喷雾组和气流辅助组(P <0.01)。且与假手术组（对照组）接近，说明电场改良电纺组5天后急性炎症消退至正常状态。相反，喷药组和气流辅助组大鼠炎症反应严重，消退较慢。

验血。 一 白细胞计数。 b –d 肝功能酶试验。 b 丙氨酸氨基转移酶 (ALT)。 c 天冬氨酸氨基转移酶 (AST)。 d 谷氨酰转氨酶（GGT）

通过血清 ALT（图 5b）、AST（图 5c）和 GGT（图 5d）的浓度评估肝功能。其中，ALT和AST浓度可以灵敏地反映肝细胞损伤的程度。高浓度的GGT可以反映肝炎、梗阻性黄疸、胆汁淤积等症状。如图 5b-d 所示，电场修饰电纺组术后 5 天肝功能酶水平与假手术组（对照组）基本接近，明显低于常规电纺组喷雾组和气流辅助组，说明电场修饰电纺组和假手术组大鼠生理状态相似。但术后第5天，喷雾组和气流辅助组的GGT仍保持较高水平（P <0.001)，说明存在胆汁淤滞、肝损伤等严重问题。

进一步对止血后的肝组织进行病理活检。图 6a 和 c 分别是气流辅助和电场修饰的 e-spinning 止血后的肝脏病理切片，图 6b 和 d 是它们的放大图像。与气流辅助电纺组相比，电场改良电纺组肝组织边界相对更清晰，包膜更薄。这些结果表明，电场修饰组的肝脏再生能力更好。此外，在胶囊中观察到较少的炎症细胞，表明通过电场修饰方法制备的NOCA纤维膜可以带来较少的炎症反应。这些结果可归因于电场改进方法比气流辅助方法具有更好的定向沉积，从而减少了用于达到相同止血效果的NOCA医用胶的用量，从而减少了组织粘连，从而减少了炎症。回复。另外，从图6a、b也可以看出，医用胶从肝脏组织中分离出来，可能是吹气造成的，说明使用气流辅助的e-spinning两者之间的粘附力不如电场修正电纺。

在a下观察HE染色组织病理学检查 , c 放大倍数 × 100 和 b , d 放大倍数× 200，组织病理学检查第7天两组肝细胞均出现炎症反应和肝损伤。这两组是a , b 气流辅助组和c , d 电场修饰组（蓝色箭头：炎症细胞；红色圆圈：医用胶；黑色箭头：充血区厚度）

结论

总之，我们提出了一种电场改进的电子纺丝技术，将金属锥连接到纺丝喷嘴，以实现纤维的可控精确沉积。电纺纤维的沉积范围可以通过改变金属锥的尺寸来调节，其机制归因于理论模拟验证的聚焦电场。进一步利用这种电场改良的电子纺丝方法，将医用胶NOCA纤维原位精确沉积到大鼠肝脏切除部位，实现10秒内快速止血。术后病理结果表明，与传统气流辅助组相比，该电场修饰电纺组的炎症反应和组织粘连较少。该技术与我们设计的手持式电子纺丝设备相结合，具有便携性和精确沉积特性，可用于紧急医疗、诊所、野外生存和家庭护理。

缩写

ALT：

丙氨酸氨基转移酶

AST：

天冬氨酸氨基转移酶

CA：

氰基丙烯酸酯

电子纺纱：

静电纺丝

FTIR：

傅里叶变换红外

GGT：

谷氨酰转氨酶

他：

苏木精和伊红

NOCA：

N -2-氰基丙烯酸辛酯

PMMA：

聚甲基丙烯酸甲酯

SEM：

扫描电子显微镜

白细胞：

白细胞