Magische Verwendungsmöglichkeiten von Ton! Neuer Durchbruch in der „traditionellen“ Hämostasemethode

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Wang Xiaomei, Wang Aiqin und Mou Bin (Institut für Chemische Physik, Lanzhou, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um das Geheimnis der wissenschaftlichen und technologischen Arbeit zu lüften, hat Chinas Spitzentechnologieprojekt eine Artikelserie mit dem Titel „Ich und meine Forschung“ gestartet und Wissenschaftler dazu eingeladen, eigene Artikel zu schreiben, ihre wissenschaftlichen Forschungserfahrungen zu teilen und eine wissenschaftliche Welt zu schaffen. Folgen wir den Entdeckern an der Spitze von Wissenschaft und Technologie und begeben wir uns auf eine Reise voller Leidenschaft, Herausforderungen und Überraschungen.

Wenn ich als Kind auf dem Land war und mir versehentlich in den Finger geschnitten hatte und dieser blutete, nahmen die Leute etwas weiche Erde vom Feldweg und streuten sie auf die Wunde. Als dieser extrem feine und weiche Sand fiel, hörte die Wunde wie durch ein Wunder auf zu bluten. Es stellt sich heraus, dass „Erde“ auch Blutungen stoppen kann.

Was also ist das Geheimnis des „Bodens“, der Blutungen stoppen kann?

Tatsächlich beruht das Prinzip, mit dem „Erde“ Blutungen stoppen kann, auf der Ausnutzung der Adsorptions- und Koagulationseigenschaften von „Erde“. „Erde“ ist in der Regel eine Mischung aus feinem Sand und Lehmpartikeln. Unter ihnen sind Tonpartikel klebriger und können große Mengen Wasser aufnehmen. Wenn die „Erde“ auf die Wunde aufgetragen wird, können die Tonpartikel Feuchtigkeit aus dem Blut aufnehmen und zu Klumpen gerinnen, während sie gleichzeitig Bakterien und Verunreinigungen auf der Oberfläche adsorbieren und so Infektionen vorbeugen.

Nimm eine Handvoll Erde

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Heute hat die moderne Wissenschaft bewiesen, dass der Hauptbestandteil des Tons im „Boden“, der Blutungen stoppen kann, Silikat-Tonmineralien sind. Die wichtigsten sind Kaolinit, Halloysit und Serpentin, deren strukturelle Einheitsschichten ein Verhältnis von 1:1 zwischen Silizium-Sauerstoff-Tetraeder und Aluminium-Sauerstoff-Oktaeder aufweisen; und Montmorillonit, Attapulgit, Sepiolith, Pyrophyllit, Illit und Vermiculit, deren strukturelle Einheitsschichten 2:1 betragen. Diese Tonmineralien können Mineralkristalle mit unterschiedlichen Strukturen (geschichtet, Schichtkette), Morphologien (kugelförmig, stäbchenförmig, faserig, röhrenförmig, lamellar) und Abmessungen (0D, 1D, 2D) bilden.

Die einzigartige Nanokristallstruktur, die permanente Strukturladung, der steuerbare Zwischenschichtbereich und die spezielle Porenstruktur werden durch verschiedene Prozessbehandlungen sowie Struktur- und Oberflächenfunktionsregulierung in vielen Bereichen eingesetzt.

Tonmineralien werden in vielen Anwendungen zur Hämostase eingesetzt, sie haben jedoch alle ihre eigenen Nachteile.

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Forschung über natürliche Silikat-Tonmineralien in der Hämostase erzielt. Kaolinit kann durch negative Ladung Gerinnungsfaktoren aktivieren, während es gleichzeitig die Fibrinbildung direkt fördert und die Blutgerinnung beschleunigt . Daher wurde mit Kaolin (das Hauptmineral ist Kaolinit) imprägnierter Vliesgaze (Quick-Clot Combat Gauze®) in der Anfangszeit zur ersten Wahl für blutstillende Verbände. Es hat jedoch einige Nachteile, wie z. B. eine langsame Hämostaserate, die Notwendigkeit mehrfacher Anwendungen und eine geringe Wirkung bei Patienten mit Gerinnungsstörungen.

Im Gegensatz dazu quillt Montmorillonit bei Kontakt mit Wasser leicht auf und kann sich mit den Wirkstoffen im Blut zu einer pastösen Barriere mit starker Plastizität und Haftung vernetzen. Gleichzeitig aktiviert es durch die negative Ladung seiner Oberfläche die Gerinnungskaskade und beschleunigt die Blutstillung. Allerdings können granuläre Hämostatika aus Montmorillonit lokale Entzündungsreaktionen und Schäden an der Gefäßauskleidung hervorrufen, begleitet von einer übermäßigen Blutgerinnung, die das Risiko einer distalen Organthrombose birgt. Daher wurden sie in den letzten Jahren hauptsächlich zur Herstellung von hämostatischen Verbundmaterialien verwendet.

Darüber hinaus wurden wichtige Fortschritte bei der Erforschung der Wirkung von röhrenförmigem Halloysit und faserigem Sepiolith auf die Hämostase erzielt, die hämostatischen Eigenschaften und Mechanismen der Tonmineralien selbst müssen jedoch noch weiter untersucht werden.

Kann Attapulgit, das gute Adsorptionseigenschaften besitzt, zur Blutstillung eingesetzt werden?

Attapulgit (auch als Palygorskit bekannt) ist ein wasserhaltiges, magnesiumreiches Aluminiumsilikatmineral mit regelmäßigen Poren (0,37 nm × 0,64 nm) und eindimensionaler stäbchenförmiger Kristallmorphologie (etwa 1–5 μm lang und etwa 20–70 nm im Durchmesser). Aufgrund seiner einzigartigen Kristallstruktur und hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften wird es häufig in Adsorptions-, Kolloid-, Träger- und Verstärkungsanwendungen eingesetzt, es besteht jedoch noch immer eine Lücke in der Forschung zur Hämostase.

Morphologie und Nanoporenstruktur von Attapulgit

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Das Team für mineralische Funktionsmaterialien des Lanzhou Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften widmet sich seit langem der Erforschung der funktionellen Anwendung von Attapulgit und hat viele neue Anwendungsfelder für Attapulgit erschlossen. Da es eine starke Adsorptionswirkung hat, fragen wir uns natürlich, ob Attapulgit zum Stillen von Blutungen verwendet werden kann?

Attapulgit kann während seines geologischen Entstehungsprozesses unterschiedliche Strukturen bilden. Dioktaedrischer Attapulgit hat gute Wasseraufnahmeeigenschaften. Können Attapulgitpartikel schnell Wasser aus dem Blut aufnehmen und zu Blöcken kondensieren? Basierend auf einem tiefen Verständnis der Mikrostruktur begann das Team mit entsprechenden Forschungsarbeiten.

Studien haben gezeigt, dass Attapulgit gewisse hämostatische Eigenschaften besitzt, seine hämostatische Effizienz muss jedoch im Vergleich zu in der klinischen Praxis verwendeten hämostatischen Materialien verbessert werden. Um die Wasserabsorptionsrate weiter zu verbessern, nutzte das Team eine Gradientenauflösung von Attapulgit mit Oxalsäure, um die spezifische Oberfläche, das Porenvolumen und die oberflächenaktiven Gruppen zu erhöhen. Die Studie ergab, dass Attapulgit, das 1 Stunde lang in Oxalsäure gelöst wurde, die beste prokoagulierende Wirkung hat.

Um den hämostatischen Mechanismus weiter zu erforschen, analysierten die Forscher die physikalischen und chemischen Eigenschaften wie Veränderungen der Metallionen, der Oberflächenladung und der Hydrophilie in durch einen Oxalsäuregradienten erodiertem Attapulgit.

Studien haben gezeigt, dass mit zunehmender Auflösungszeit der Oxalsäure die freisetzbaren Fe3+- und Mg2+-Ionen im Attapulgit-Skelett deutlich abnehmen, die Oberflächenladung negativer wird und der Kontaktwinkel deutlich abnimmt und dann leicht ansteigt. Nach einer Stunde Auflösung blieben die für den Hämostaseprozess erforderlichen dreiwertigen Eisenionen und zweiwertigen Magnesiumionen besser erhalten, was sich positiv auf die Beschleunigung der Gerinnungsreaktion auswirkte.

Durch Korrelation der Änderungen in der Nanoporenstruktur von Attapulgit wird sein hämostatischer Mechanismus hauptsächlich darauf zurückgeführt, dass die Nanoporen die Adhäsion von Blutzellen und die Bildung von Blutgerinnseln unterstützen, eine ausgezeichnete Wasseraufnahme ermöglichen, eine negative Ladung den endogenen Gerinnungsweg aktivieren und einen durch Metallionen unterstützten Gerinnungsprozess bewirken.

Physikalisch-chemische Eigenschaften von säuregeätztem Attapulgit und sein hämostatischer Mechanismus

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Einen Schritt weiter! Kann gemischtdimensionaler Attapulgit-Ton zum Stillen von Blutungen verwendet werden?

Bisherige Untersuchungen haben gezeigt, dass verschiedene Tonmineralien über unterschiedliche Grade blutstillender Eigenschaften verfügen. Angesichts der raschen Erschöpfung hochwertiger und hochreiner Tonmineralressourcen hat die hochwertige Nutzung gemischtdimensionaler Tonmineralien jedoch große Aufmerksamkeit erhalten.

Anders als der hochreine Attapulgit, der durch Ablagerung bei Vulkanausbrüchen entsteht, besteht das durch Ablagerung in Salzwasserseen im Landesinneren gebildete Attapulgit-Erz hauptsächlich aus eindimensionalem Attapulgit, begleitet von zweidimensionalen Illit-, Chlorit-, Kaolinit- und Illit-Montmorillonit-Mischschichtmineralien. Um eine vollständige Mineralnutzung zu erreichen, definierte das Team es aus der Perspektive der angewandten Mineralogie und Mineralmaterialwissenschaft als gemischtdimensionalen Attapulgit-Ton (MDAPT). Allein die nachgewiesenen Rohstoffreserven in Linze, Gansu, belaufen sich auf 1,35 Milliarden Tonnen.

Gemischtdimensionaler Attapulgit-Ton vereint Tonmineralien mit unterschiedlich ausgeprägten blutstillenden Eigenschaften. Kann seine blutstillende Wirkung also eine kumulative Wirkung haben?

Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften verschiedener Tonmineralien wählte das Team gemischtdimensionalen Attapulgit-Ton, Montmorillonit, Kaolinit, Halloysit und Zeolith aus, um eine vergleichende Studie ihrer hämostatischen Eigenschaften durchzuführen. Die hämostatischen Eigenschaften und Mechanismen des Materials wurden systematisch untersucht, indem Indikatoren wie die dynamische Hämoglobinabsorption im Vollblut, der Gerinnungsindex, die Plasmadynamik, die Adhäsion und Aktivierung roter Blutkörperchen und Blutplättchen sowie ein Hämostasemodell mit abgeschnittenem Mausschwanz ausgewählt wurden. Die Studie ergab, dass gemischtdimensionaler Attapulgit-Ton tatsächlich die besten blutstillenden Eigenschaften besitzt.

Um die hämostatische Wirkung weiter zu verbessern, wurde auch die Auflösung von gemischtdimensionalem Attapulgit-Ton durch Oxalsäuregradienten verwendet, um die Struktur-Aktivitäts-Beziehung zwischen den Veränderungen der Tonmineralstruktur und den hämostatischen Eigenschaften zu korrelieren. Auf dieser Grundlage verwendete das Team handelsübliche Produkte als Kontrolle und ein Tiermodell mit amputiertem Mäuseschwanz, um die hämostatischen Eigenschaften von säuregeätztem gemischtdimensionalem Attapulgit-Ton zu bewerten.

Die Studie ergab, dass gemischtdimensionaler Attapulgit-Ton (S-1), der eine Stunde lang mit Oxalsäure behandelt wurde, die beste Koagulationswirkung hatte.

Fotos von Blutungs- und Hämostase-Experimenten im Maus-Tail-Cut-Modell

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Da rote Blutkörperchen eine wichtige Rolle im Hämostaseprozess spielen, wird die Adhäsionsfähigkeit von Biomaterialien an roten Blutkörperchen als Hauptparameter zur Untersuchung ihres hämostatischen Mechanismus verwendet. Blutplättchen sind Schlüsselkomponenten im Prozess der Thrombusbildung. Wenn Blutplättchen aktiviert werden, verschmelzen Granulamembranproteine ​​und Blutplättchenmembranproteine ​​miteinander und die Granulamembranproteine ​​klappen an die Oberfläche der Blutplättchenmembran.

Durch die Untersuchung der Adhäsion roter Blutkörperchen und der Thrombozytenaktivierung auf der Oberfläche von gemischtdimensionalem Attapulgit-Ton in Kombination mit der Anzahl und Morphologie der anhaftenden roten Blutkörperchen und der Thrombozytenaktivierungsrate wurde weiter bestätigt, dass S-1 die beste hämostatische Leistung hatte.

SEM-Bilder der Grenzflächeninteraktion zwischen gemischtdimensionalem Attapulgit-Ton und roten Blutkörperchen und ihrer Thrombozytenaktivierungsrate

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Dann könnte jemand fragen: Da gemischtdimensionaler Attapulgit-Ton so gute blutstillende Eigenschaften hat, ist es sicher, ihn direkt zu verwenden?

Dies ist auch ein wichtiges Problem bei der Entwicklung von Biomaterialien vom Labor zur klinischen Anwendung.

Vorstudien haben gezeigt, dass S-1 eine gute Biokompatibilität aufweist, jedoch ist eine anschließende experimentelle In-vivo-Bewertung von Kleintieren bis hin zu Großtieren unerlässlich.

Bewertung der Biokompatibilität von gemischtdimensionalem Attapulgit-Ton

(Bildquelle: Lanzhou Institute of Chemical Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Zusammenfassend wurde der gemischtdimensionale Attapulgit-Ton durch einen Oxalsäuregradienten aufgelöst und die hämostatische Leistung in vivo und in vitro bewertet. Es wurde bestätigt, dass eine einstündige Behandlung mit Oxalsäure die beste hämostatische Wirkung und eine gute Biokompatibilität hatte, was einen neuen Anwendungspfad für gemischtdimensionalen Attapulgit-Ton eröffnete.

Um jedoch zu bestimmen, welches Tonmineral in den gemischtdimensionalen Attapulgit-Tonmineralien den größten Beitrag leistet, sind weitere Untersuchungen sowie umfassende Verifizierungsversuche an Tieren erforderlich. Das Team wird seine Arbeit fortsetzen und auf dieser Grundlage mithilfe von Aufbaustrategien auf unterschiedliche Wundblutungszustände eingehen und danach streben, multifunktionale Wundheilungsmaterialien in unterschiedlichen Dosierungsformen zu entwickeln, um den individuellen Anforderungen an hämostatische Materialien gerecht zu werden.