Usi magici dell'argilla! Nuova svolta nel metodo di emostasi "tradizionale"

Prodotto da: Science Popularization China

Autore: Wang Xiaomei, Wang Aiqin e Mou Bin (Istituto di fisica chimica, Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

Produttore: China Science Expo

Nota dell'editore: per svelare il mistero del lavoro scientifico e tecnologico, il progetto tecnologico d'avanguardia cinese ha lanciato una serie di articoli intitolata "Io e la mia ricerca", invitando gli scienziati a scrivere i propri articoli, condividere le proprie esperienze di ricerca scientifica e creare un mondo scientifico. Seguiamo gli esploratori all'avanguardia della scienza e della tecnologia e intraprendiamo un viaggio pieno di passione, sfide e sorprese.

Quando ero bambino e vivevo in campagna, se mi tagliavo accidentalmente un dito e sanguinavo, la gente prendeva un po' di terra morbida dal sentiero di campagna e la cospargeva sulla ferita. Quando questa sabbia estremamente fine e soffice cadde, la ferita smise miracolosamente di sanguinare. A quanto pare anche la "terra" può fermare le emorragie.

Quindi, qual è il segreto del “terreno” che può fermare le emorragie?

Infatti, il principio mediante il quale la "terra" può fermare l'emorragia è quello di sfruttare le proprietà di adsorbimento e coagulazione della "terra". Il "terreno" è solitamente un miscuglio di sabbia fine e particelle di argilla. Tra queste, le particelle di argilla sono più appiccicose e possono assorbire una grande quantità di acqua. Quando il "terreno" viene applicato sulla ferita, le particelle di argilla possono assorbire l'umidità del sangue e coagularsi formando grumi, assorbendo allo stesso tempo batteri e impurità dalla superficie, prevenendo così l'infezione.

Prendi una manciata di terra

(Fonte foto: galleria fotografica veer)

Oggi la scienza moderna ha dimostrato che il principale componente dell'argilla nel "terreno" in grado di arrestare l'emorragia sono i minerali argillosi silicati. I principali sono la caolinite, l'alloisite e la serpentina, i cui strati unitari strutturali sono 1:1 tra il tetraedro silicio-ossigeno e l'ottaedro alluminio-ossigeno; e montmorillonite, attapulgite, sepiolite, pirofillite, illite e vermiculite, i cui strati unitari strutturali sono 2:1. Questi minerali argillosi possono formare cristalli minerali con strutture (stratificati, a catena di strati), morfologie (sferiche, a bastoncino, fibrose, tubolari, lamellari) e dimensioni (0D, 1D, 2D) diverse.

La struttura unica dei nanocristalli, la carica strutturale permanente, il dominio interstrato controllabile e la speciale struttura dei pori sono stati ampiamente utilizzati in molti campi attraverso diversi trattamenti di processo, regolazione della struttura e della funzione superficiale.

I minerali argillosi sono stati utilizzati in numerose applicazioni emostatiche, ma presentano tutti dei difetti.

Negli ultimi anni sono stati compiuti grandi progressi nella ricerca sui minerali argillosi silicatici naturali nell'emostasi. La caolinite è in grado di attivare i fattori della coagulazione attraverso la carica negativa, promuovendo direttamente la formazione di fibrina e accelerando la coagulazione del sangue . Per questo motivo, la garza non tessuta impregnata di caolino (il minerale principale è la caolinite) (Quick-Clot Combat Gauze®) è diventata sin dall'inizio la prima scelta per le medicazioni emostatiche. Presenta però alcuni svantaggi, quali la lenta velocità di emostasi, la necessità di utilizzi multipli e uno scarso effetto sui pazienti affetti da disturbi della coagulazione.

Al contrario, la montmorillonite si gonfia facilmente a contatto con l'acqua e può legarsi in modo reticolato con i principi attivi presenti nel sangue, formando una barriera pastosa dotata di elevata plasticità e aderenza. Allo stesso tempo, attiva la reazione a cascata della coagulazione attraverso la carica negativa sulla sua superficie e accelera l'emostasi. Tuttavia, gli agenti emostatici granulari di montmorillonite possono causare reazioni infiammatorie locali e danni al rivestimento vascolare, accompagnati da una coagulazione eccessiva che comporta il rischio di trombosi degli organi distali. Per questo motivo negli ultimi anni sono stati utilizzati principalmente per realizzare materiali emostatici compositi.

Sono stati inoltre compiuti importanti progressi nella ricerca sull'alloisite tubulare e sulla sepiolite fibrosa nell'emostasi, ma le proprietà e i meccanismi emostatici dei minerali argillosi stessi devono essere ulteriormente studiati.

L'attapulgite, che ha buone proprietà di assorbimento, può essere utilizzata per fermare le emorragie?

L'attapulgite (nota anche come palygorskite) è un minerale di silicato di alluminio idrato ricco di magnesio con pori regolari (0,37 nm×0,64 nm) e morfologia cristallina a bastoncino unidimensionale (circa 1-5 μm di lunghezza e circa 20-70 nm di diametro). Grazie alla sua particolare struttura cristallina e alle eccellenti proprietà fisiche e chimiche, è stato ampiamente utilizzato come adsorbente, colloidale, vettore e rinforzo, ma la ricerca sull'emostasi presenta ancora delle lacune.

Morfologia e struttura nanoporosa dell'attapulgite

(Fonte dell'immagine: Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

Il team di materiali funzionali minerali dell'Istituto di chimica fisica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze, è da tempo impegnato nella ricerca sulle applicazioni funzionali dell'attapulgite e ha ampliato molti nuovi campi di applicazione dell'attapulgite. Poiché ha un forte effetto di assorbimento, ci chiediamo naturalmente se l'attapulgite possa essere utilizzata per fermare le emorragie?

L'attapulgite può formare diverse strutture durante il suo processo di formazione geologica. L'attapulgite diottaedrica ha buone proprietà di assorbimento dell'acqua. Le particelle di attapulgite possono assorbire rapidamente l'acqua presente nel sangue e condensarsi in blocchi? Sulla base di una profonda comprensione della microstruttura, il team ha avviato un lavoro di ricerca correlato.

Gli studi hanno dimostrato che l'attapulgite possiede determinate proprietà emostatiche, ma rispetto ai materiali emostatici utilizzati nella pratica clinica, la sua efficacia emostatica deve essere migliorata. Per migliorare ulteriormente il tasso di assorbimento dell'acqua, il team ha utilizzato la dissoluzione in gradiente di acido ossalico dell'attapulgite per aumentare la superficie specifica, il volume dei pori e i gruppi tensioattivi. Lo studio ha scoperto che l'attapulgite sciolta in acido ossalico per 1 ora ha il miglior effetto procoagulante.

Per esplorare ulteriormente il meccanismo emostatico, i ricercatori hanno analizzato le proprietà fisiche e chimiche, come i cambiamenti negli ioni metallici, la carica superficiale e l'idrofilia nell'attapulgite erosa dal gradiente di acido ossalico.

Studi hanno dimostrato che all'aumentare del tempo di dissoluzione dell'acido ossalico, gli ioni Fe3+ e Mg2+ rilasciabili nello scheletro dell'attapulgite diminuiscono significativamente, la carica superficiale diventa più negativa e l'angolo di contatto diminuisce significativamente per poi aumentare leggermente. Dopo 1 ora di dissoluzione, gli ioni di ferro trivalenti e gli ioni di magnesio bivalenti necessari per il processo di emostasi sono stati trattenuti meglio, il che ha favorito l'accelerazione della reazione di coagulazione.

Correlando i cambiamenti nella struttura dei nanopori dell'attapulgite, il suo meccanismo emostatico è attribuito principalmente ai nanopori che forniscono supporto all'adesione delle cellule del sangue e alla formazione di coaguli di sangue, all'eccellente assorbimento dell'acqua, alla carica negativa che attiva il percorso di coagulazione endogena e al processo di coagulazione assistito da ioni metallici.

Proprietà fisico-chimiche dell'attapulgite acidificata e del suo meccanismo emostatico

(Fonte dell'immagine: Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

Un passo avanti! L'argilla attapulgite multidimensionale può essere utilizzata per fermare le emorragie?

Le ricerche condotte fino ad oggi hanno dimostrato che i vari minerali argillosi presentano diversi gradi di proprietà emostatiche, ma con il rapido consumo di risorse di minerali argillosi di elevata qualità e purezza, l'utilizzo ad alto valore di minerali argillosi di dimensioni miste ha ricevuto grande attenzione.

A differenza dell'attapulgite ad alta purezza formatasi per deposizione in seguito ad eruzione vulcanica, il minerale di attapulgite formatosi per deposizione in laghi salati interni è composto principalmente da attapulgite unidimensionale, accompagnata da minerali bidimensionali di illite, clorite, caolinite e illite-montmorillonite a strati misti. Per ottenere il pieno sfruttamento del minerale, il team lo ha definito argilla attapulgite a dimensione mista (MDAPT) dal punto di vista della mineralogia applicata e della scienza dei materiali minerali. Le riserve accertate di risorse nella sola Linze, nel Gansu, ammontano a 1,35 miliardi di tonnellate.

L'argilla attapulgite a dimensione mista riunisce minerali argillosi con diversi gradi di proprietà emostatiche. Quindi, il suo effetto emostatico può avere un effetto cumulativo?

Sulla base delle differenze nelle proprietà dei vari minerali argillosi, il team ha selezionato argilla attapulgite a dimensione mista, montmorillonite, caolinite, halloysite e zeolite per condurre uno studio comparativo sulle loro proprietà emostatiche. Le proprietà emostatiche e il meccanismo del materiale sono stati studiati sistematicamente selezionando indicatori quali l'assorbanza dinamica dell'emoglobina nel sangue intero, l'indice di coagulazione, la dinamica del plasma, l'adesione e l'attivazione dei globuli rossi e delle piastrine e il modello di emostasi con taglio della coda di topo. Lo studio ha scoperto che l'argilla attapulgite multidimensionale ha le migliori proprietà emostatiche.

Per migliorare ulteriormente l'effetto emostatico, è stata utilizzata anche la dissoluzione in gradiente di acido ossalico dell'argilla attapulgite a dimensione mista per correlare la relazione struttura-attività tra i cambiamenti nella struttura dei minerali argillosi e le proprietà emostatiche. Su questa base, il team ha utilizzato prodotti disponibili in commercio come controllo e un modello animale di amputazione della coda di topo per valutare le proprietà emostatiche dell'argilla attapulgite multidimensionale trattata con acido.

Lo studio ha scoperto che l'argilla attapulgite a dimensione mista (S-1) trattata con acido ossalico per 1 ora ha avuto il miglior effetto di coagulazione.

Foto di esperimenti di sanguinamento ed emostasi nel modello di taglio della coda del topo

(Fonte dell'immagine: Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

Poiché i globuli rossi svolgono un ruolo importante nel processo di emostasi, la capacità di adesione dei biomateriali ai globuli rossi viene utilizzata come parametro principale per studiarne il meccanismo emostatico. Le piastrine sono componenti chiave nel processo di formazione del trombo. Quando le piastrine vengono attivate, le proteine ​​della membrana granulare e le proteine ​​della membrana piastrinica si fondono tra loro e le proteine ​​della membrana granulare si spostano sulla superficie della membrana piastrinica.

Pertanto, studiando l'adesione dei globuli rossi e l'attivazione piastrinica sulla superficie dell'argilla attapulgite multidimensionale, insieme al numero e alla morfologia dei globuli rossi aderenti e al tasso di attivazione piastrinica, è stato ulteriormente confermato che S-1 aveva le migliori prestazioni emostatiche.

Immagini SEM dell'interazione dell'interfaccia tra argilla attapulgite a dimensione mista e globuli rossi e il suo tasso di attivazione piastrinica

(Fonte dell'immagine: Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

Qualcuno potrebbe allora chiedersi: dal momento che l'argilla attapulgite multidimensionale ha delle proprietà emostatiche così buone, è sicuro utilizzarla direttamente?

Si tratta di un problema importante anche per i biomateriali, che passano dal laboratorio all'applicazione clinica.

Studi preliminari hanno dimostrato che S-1 ha una buona biocompatibilità, ma è essenziale una successiva valutazione sperimentale in vivo da animali di piccola e grande taglia.

Valutazione della biocompatibilità dell'argilla attapulgite a dimensione mista

(Fonte dell'immagine: Istituto di fisica chimica di Lanzhou, Accademia cinese delle scienze)

In conclusione, l'argilla attapulgite multidimensionale è stata sciolta mediante gradiente di acido ossalico e le prestazioni emostatiche sono state valutate in vivo e in vitro. È stato confermato che il trattamento con acido ossalico per 1 ora ha il miglior effetto emostatico e una buona biocompatibilità, il che ha aperto una nuova strada applicativa per l'argilla attapulgite multidimensionale.

Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per determinare quale minerale argilloso tra i minerali argillosi attapulgite a dimensione mista contribuisca maggiormente, nonché esperimenti approfonditi di verifica sugli animali. Il team continuerà ad andare avanti e, su questa base, affronterà diverse condizioni di sanguinamento delle ferite attraverso strategie di assemblaggio e si impegnerà a progettare materiali multifunzionali per la guarigione delle ferite in diverse forme di dosaggio per soddisfare le esigenze personalizzate dei materiali emostatici.