【科學講堂】化合物令血液速凝固 啟發生物醫學

當我們受傷、流血時，慶幸血液會自行凝結成塊，堵塞傷口，避免持續失血。然而，這些血塊並非十分堅固，劇烈動作或擠壓便可能使其破裂，導致傷口再次暴露。本文將與讀者分享一項近期發表於國際頂尖學術期刊《Nature》的研究成果，該研究提供了一種全新方法，能使血液在數秒內凝結成更為扎實的血塊，從而為傷口帶來更有效的保護，並顯著促進組織再生。

體內的止血現象，是一連串複雜的生化反應，當傷口出現時，身體會產生血纖維蛋白（fibrin），並編織成一張網狀結構。這張由血纖維蛋白構成的網絡能將附近的紅血球連接起來，進而形成血塊。

然而，此凝血過程相對緩慢，通常需要數分鐘，且形成的血塊亦不夠堅固，因紅血球雖然佔據血塊近一半的體積，卻幾乎無法提供硬度，而真正承擔結構支撐作用的纖維蛋白網僅佔不足1%。因此，天然血凝塊在生理血壓下極易破裂或脫落，遭遇較大機械應力時往往失效，嚴重限制了其止血效果。

血凝塊強度升13倍

研究人員在紅血球表面引入有機化合物反式環辛烯（Trans-Cyclooctene），然後將這些修飾後的紅血球與含有四嗪（Tetrazine）官能團的聚合物混合（如圖）。

反式環辛烯與四嗪之間會發生超快速的生物正交點擊化學（Click Clotting）反應，從而在數秒內將紅血球通過共價鍵連接起來，形成一種名為「細胞凝膠」（cytogel）的連續細胞網絡。這個細胞凝膠進一步與天然凝血過程中形成的纖維蛋白網絡交織，共同構成了工程化血凝塊（Engineered Blood Clots, EBC）。在此體系中，紅血球不再是被動的填充物，而是直接參與承載外力，從根本上改變了血凝塊的結構屬性。

這種經過改良的凝血機制在多項性能指標上取得了亮眼的成績。首先，反式環辛烯與四嗪均不會參與其他化學反應，具有優異的生物正交性，因此不會影響血液中原有的生化過程。其次，此改良方法顯著增強了血塊的韌性和黏附力：與人體天然形成的血塊相比，工程化血凝塊的斷裂韌性（fracture toughness）提升了13倍，與組織的黏附能量（adhesion energy）也提升了4倍。

這一卓越的韌性提升，源於一個全新的力學機制。研究發現，細胞凝膠的韌性提升並不依賴於增加聚合物含量，而是來自細胞本身。當外力作用時，工程化血凝塊中那些被共價交聯、主動承力的紅血球會依次發生物理破裂，從而來吸收並耗散大量能量。這種類似「犧牲結構」的機制，有效抑制了裂紋擴展，使工程化血凝塊在受到衝擊或拉伸時不易發生災難性斷裂。

在實際應用層面，此改良凝血機制也展現了非凡的潛力。在老鼠的肝臟傷口模型中，工程化血凝塊可在5秒內形成血塊，顯著減少血液流失。更令人矚目的是，在大鼠肝臟大面積切除的嚴重損傷活體實驗中，該血凝塊能夠助力肝臟完全癒合、恢復至正常大小，且未留下明顯疤痕。

相比臨床使用的產品，工程化血凝塊還將術後肝臟與周圍組織的黏連率從83% 大幅降至17%。

此外，該技術還展現出優異的生物相容性和極低的免疫反應，無論是使用自體血液（約20分鐘製備），還是同種異體捐贈的配型血液（約10分鐘製備），均能有效快速止血。研究團隊更發現，該機制的「點擊凝血」思路具有通用性，可應用於其他類型的細胞，包括構成結締組織的成纖維細胞、脂肪來源幹細胞，甚至單細胞藻類，顯示其在未來生物醫學領域具有廣泛的應用潛力。

然而，要進一步將此改良凝血機制應用於實際醫療環境，仍存在一些問題需要解決。例如，該機制需要使用特定的試劑與處理步驟，因此未必能輕易融入高壓力、高速度的醫療場景。此外，降低成本以及在大型動物身上進行測試，也是後續必須進行的步驟。

除了將紅血球連接起來形成血塊，此技術還可能有其他令人興奮的應用：例如，將細胞連接以協助器官再生，甚至製造出新器官；或者將免疫細胞聯結起來，形成對抗癌症的防線。這項研究將血凝塊從一種自然產物，轉變為一個「可設計的材料體系」，為創傷急救、外科手術和再生醫學提供了全新的策略和思路。

●杜子航 教育工作者

早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。