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聚氨酯止血泡沫海绵：从结构设计、发泡机制到多功能临床应用

李智琴 ,  李宗宜 ,  杨若峰 ,  魏延 ,  梁紫微 ,  黄棣

化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (7) :1280-1293

PDF (5663KB)
化学进展 ›› 2026, Vol. 38 ›› Issue (7) :1280-1293 DOI: 10.7536/PC20260102
综述与评论
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聚氨酯止血泡沫海绵：从结构设计、发泡机制到多功能临床应用

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Polyurethane Hemostatic Foams： From Integrating Structural Design， Foaming Mechanisms to Multifunctional Clinical Applications

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摘要

高效、安全的止血材料在创伤急救及临床外科手术中具有至关重要的作用。聚氨酯（PU）作为一种具备高度微相分离结构的嵌段共聚物，凭借其卓越的生物相容性、力学可调性及化学设计灵活性，已成为先进止血敷料研发的核心候选材料。本文首先简述生理止血机制和止血材料设计策略，探讨了PU合成工艺及泡沫（PUF）的“凝胶-发泡”竞争反应机理。重点评述了PUF在生物安全性、可控降解性及形状记忆效应方面的独特优势，并详述了其在深部止血、鼻腔填充、智能渗出液管理（Janus结构）及生物质绿色开发等领域的最新进展。最后指出，未来研究应聚焦于通过共价键合生物活性分子，构建“止血-抗菌-促再生”一体化的智能治疗性生物平台，实现对愈合过程的全周期调控。

Abstract

Efficient and safe hemostatic materials are pivotal in emergency trauma care and clinical surgery. Polyurethane （PU）， a block copolymer characterized by a distinct microphase-separated structure， has emerged as a premier candidate for advanced hemostatic dressings， owing to its exceptional biocompatibility， mechanical tunability， and chemical design versatility. This review first outlines the physiological mechanisms of hemostasis and explores PU synthesis processes， specifically the “gelling-blowing” competitive reaction kinetics of polyurethane foam （PUF）. Significant emphasis is placed on the unique advantages of PUF regarding biosafety， programmable biodegradability， and shape memory effects. Furthermore， recent advancements in specialized applications， such as deep-tissue hemostasis， nasal packing， intelligent exudate management （Janus structures）， and sustainable bio-based PU developments are detailed. Finally， it is suggested that future research should focus on the covalent integration of bioactive molecules to construct “hemostasis-antimicrobial-regeneration” integrated intelligent therapeutic platforms， enabling full-cycle regulation of the wound healing process.

Contents

1 Introduction

2 Mechanism of hemostasis

2.1 Physiological hemostasis

2.2 Hemostatic mechanisms of hemostasis and material design strategies

2.3 Performance evaluation system for hemostatic materials

3 Fundamental of polyurethane

3.1 Development of polyurethane

3.2 Synthesis raw materials and preparation methods for polyurethane

3.3 Properties of polyurethane

4 Applications of polyurethane foam in hemostasis and wound healing

4.1 Shape-memory hemostatic performance for complex wound surfaces

4.2 Nasal implant： combining antibacterial properties with biodegradability

4.3 Payload： PUF containing bioactive ingredients

4.4 Exudate management： intelligent Janus structure with photothermal synergy

4.5 Sustainable development： green synthesis of biomass polyurethane

5 Conclusion and outlook

Graphical abstract

关键词

聚氨酯泡沫 / 生理止血 / 形状记忆 / 生物相容性 / 伤口敷料

Key words

polyurethane foam / hemostasis / shape memory / biocompatibility / wound dressing

引用本文

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李智琴, 李宗宜, 杨若峰, 魏延, 梁紫微, 黄棣. 聚氨酯止血泡沫海绵：从结构设计、发泡机制到多功能临床应用[J]. 化学进展, 2026, 38(7): 1280-1293 DOI:10.7536/PC20260102
Zhiqin Li, Zongyi Li, Ruofeng Yang, Yan Wei, Ziwei Liang, Di Huang. Polyurethane Hemostatic Foams： From Integrating Structural Design， Foaming Mechanisms to Multifunctional Clinical Applications[J]. Progress in Chemistry, 2026, 38(7): 1280-1293 DOI:10.7536/PC20260102

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1 引言

严重创伤引发的不受控制的出血是导致死亡的主要原因之一，同时也是一项重大的临床挑战[1-5]。因此，及时有效地止血是控制出血、提高患者生存率的关键[6]。在临床实践中，常用的止血方法包括物理压迫止血、血管结扎止血以及使用止血药物或材料[7]。然而，传统方法各有局限：压迫止血常用于浅表出血，不适用于较深的穿孔伤口[8]；结扎止血虽然是手术中处理可见血管出血的基本方法，却难以应用于不规则的腹股沟和腋下伤口出血[9]。相比之下，止血材料能够在不同的出血条件下展现优异的治疗效果。止血材料形式多样，纱布、海绵、水凝胶、组织密封剂和粉末等已广泛应用于临床止血[10-11]。其中，海绵是止血领域中最为传统的材料之一，因其极高的孔隙率和强大的吸附能力一直沿用至今[12]。

海绵可由多种材料制备而成，主要包括天然聚合物和合成聚合物两大类[13]。不同材料制备的海绵，其止血性能也各有差异。

在天然聚合物止血海绵中，冷冻干燥法制得的明胶海绵是研发最早且至今仍在使用的典型材料[14]；多糖海绵通常也通过冷冻干燥工艺构建多孔结构以实现止血目的[15-16]。由于天然聚合物种类繁多，该类止血海绵拥有巨大的应用市场。然而，其自身机械性能及固有止血能力的不足，限制了其更广阔的发展空间。为了改善性能，可通过掺入无机或纳米材料对天然聚合物海绵进行改性，以制备性能更优异的复合型止血海绵[17-19]。

合成聚合物海绵是应用一系列不同的单体或聚合物通过化学反应聚合而成的。与天然聚合物材料相比，合成聚合物具有化学结构可调性强、性能稳定、功能多样化等显著优势。在众多合成聚合物中，聚氨酯（Polyurethane， PU）凭借其卓越的生物相容性和高度灵活的化学设计性，在生物医用材料领域脱颖而出，这为其作为止血材料的开发奠定了坚实的生物安全性基础[20]。

目前，关于出血与止血的生理过程，研究者们已取得了较为深入的认识。实现高效止血的关键在于促进止血材料与伤口创面之间的快速有效连接，从而加速凝血过程。止血过程中涉及多种机制，主要可归纳为物理和化学两大类机制[21-22]。物理止血机制包括对血浆的高效吸收、对出血部位的机械密封或黏附封闭，而化学止血机制主要涉及材料表面的静电相互作用（如带正电基团对凝血因子的吸附）。在设计止血材料时，既可以使用单一机制实现止血目标，也可通过多种机制的协同作用来达到快速止血的效果。

本文旨在全面、深入地介绍聚氨酯泡沫海绵作为止血材料的最新研究进展，并为其未来的发展提供了相应的设计思路。首先我们简要介绍了人体自身的凝血级联反应、基本的止血机制以及相应的体外/体内实验表征方法。其次，我们对聚氨酯海绵止血材料的设计策略、性能结构和应用场景进行了详细的阐述与分析。最后，总结讨论了聚氨酯海绵止血材料当前的研究进展、未来的应用前景以及面临的关键挑战。

2 止血机理

2.1 生理性止血

血管破损后血液流出，随即停止出血的过程称为生理性止血（Hemostasis），其主要机制包括血管收缩、血小板血栓形成和血液凝固3个时相[23]。血管损伤时，受损局部及邻近血管会立即收缩，减少局部血流；与此同时，血小板迅速发生黏附、聚集和释放反应，在损伤部位形成血小板血栓（Platelet plug），启动止血进程[24-27]。随后，在纤维蛋白原、Ca2+及关键受体协同作用下，血小板完成聚集和活化[28-30]，加速血小板血栓的形成。这一持续时间较短，通常被称为初级止血，即原发性止血[31]。紧接着发生次级止血，也称继发性止血。在活化血小板的协同作用下，一系列凝血因子启动并放大复杂的凝血级联反应（Coagulation cascade），最终生成凝血酶。凝血酶能将血浆中可溶性的纤维蛋白原转化为不溶性的纤维蛋白[32]，最终形成稳定的纤维蛋白栓塞，实现持久性止血（图1）。

凝血级联反应包括内源性凝血途径（Intrinsic pathway）和外源性凝血途径（Extrinsic pathway），二者区别主要在于参与凝血的因子是否完全来源于血液内部[33]。

内源性凝血途径：参与凝血的因子全部来源于血液。当血液与带负电荷的物质（如内皮下胶原蛋白）表面接触时，激活因子XII，随后逐级激活因子Ⅺ和Ⅸ，在Ca2+存在下，活化的因子Ⅸa与Ⅷa在活化血小板膜磷脂表面结合，形成1∶1的因子X酶复合物，进一步激活因子X生成Xa[34-36]。

外源性凝血途径：血管损伤后，周围组织产生的组织因子（Tissue factor， TF）与血液接触，启动该途径。在Ca2+参与下，TF与因子Ⅶa结合形成“TF-因子Ⅶa复合物”，可迅速激活因子X为Xa[37-39]。此外，TF-因子Ⅶa复合物也可激活内源性凝血途径的因子Ⅸ为Ⅸa，使内源性和外源性凝血途径相互联系[40]、相互促进，共同完成凝血过程。因子X被激活后，两条凝血途径汇合成共同通路，因子Xa在Ca2+存在下，与因子Va和磷脂结合形成凝血酶原酶复合物，将凝血酶原（因子Ⅱ）激活为凝血酶（因子IIa），可将纤维蛋白原转化为纤维蛋白，实现次级止血的主要目标[41-43]。

2.2 止血机制及材料设计策略

止血是一个多因素参与的复杂动态过程，深入探究其生理与物理化学机制是实现高效止血及开发智能止血材料的必要前提。止血通常可通过血浆吸收、创面密封/黏附[44-46]以及化学（如静电）相互作用等多种途径实现[47]。

2.2.1 物理止血机制（被动止血）

血浆吸收与创面密封/黏附属于物理止血机制，亦被称为被动止血机制。

组织黏合剂：具有强黏附性能的水凝胶能够迅速封闭创口，建立物理屏障以阻断血流。由于该过程往往不依赖于凝血级联反应的触发，组织黏合剂已成为极具前景的止血策略之一[48]。

传统纱布：纱布因其吸液性能长期被临床用于处理常规创面。然而，其局限性在于功能单一，且易与伤口组织发生粘连，导致二次损伤并延迟愈合过程[49]。

多孔海绵：与传统纱布相比，具有高孔隙率和强亲水性的海绵材料能迅速吸收血液，通过浓缩血小板及凝血因子，显著提高局部凝血组分的浓度，从而加速内源性凝血途径的启动。此外，海绵吸液膨胀后产生的体积效应可直接填塞出血部位，并对周围血管产生压迫止血作用，进一步防止血液外流[50]。

2.2.2 化学与静电机制（主动止血）

化学或静电相互作用属于主动凝血机制，能够直接干预或诱导凝血级联反应。

电荷吸附：红细胞表面通常带有负电荷。当表面带正电荷的材料接触创面时，可通过静电吸附募集大量红细胞，促进血栓块的快速形成[51]。

因子激活：研究表明，特定带负电荷的材料表面在与血液接触时，能够通过接触激活效应直接激活凝血因子Ⅻ，进而触发内源性凝血途径。因此，材料表面电荷的极性与分布是止血材料设计中必须精确调控的关键参数。止血材料的设计策略及止血机制示意图见图2。

2.2.3 协同止血策略

虽然依赖单一机制的止血材料能发挥一定的止血作用，但其在复杂创面或大出血场景下的性能往往受限。例如，单纯依赖物理吸液膨胀的材料在高压动脉出血环境中易被血流冲刷无法实现止血目的，而仅依靠凝血因子激活的体系则可能因局部稀释或凝血功能障碍导致止血效果不佳。因此，近年来止血材料的研究逐渐由“单一功能”向“多机制协同”转变，即协同止血策略（Synergistic hemostasis）。

协同止血策略通过整合多种止血机制，如物理填塞、化学激活以及生物黏附等多种功能，在不同止血阶段发挥协同作用，从而实现快速、高效且稳定的止血效果。具体而言，物理填塞可通过多孔结构快速吸收血液形成物理屏障，减少血液外流；化学激活则通过引入带电基团或促凝组分（如壳聚糖、Ca2+等）促进血小板聚集与凝血级联反应；而生物黏附功能则可增强材料与组织界面的结合力，防止材料脱落并维持止血稳定性。

在实际研究中，多种机制协同止血材料已展现出显著的优势。例如，壳聚糖/高岭土复合材料[52]能够同时利用壳聚糖的正电荷促进血细胞聚集，以及高岭土激活内源性凝血途径，从而显著缩短凝血时间。另一典型体系是多孔海绵或气凝胶材料[53]，通过高比表面积快速吸液，而在海绵表面负载具有止血效果的生物活性成分可加快凝血过程，表现出优异的止血性能。此外，仿生黏附材料[54]（如多巴胺修饰的水凝胶）能够模拟贻贝黏附机制，在湿润环境下仍保持较强的界面黏附力，同时结合凝血活性组分，实现“黏附-促凝”双重协同，达到止血目的。

部分止血体系还引入“结构-功能协同”的设计理念。例如，具有梯度孔结构的聚氨酯或多糖基复合海绵，不仅可实现物理吸附与压迫止血，还可通过功能组分分布优化不同区域的止血机制，从而在复杂出血环境中表现出更优的适应性。此外，将抗菌、抗炎功能整合进止血材料中，有助于降低感染风险并促进后续创面的修复，实现止血与愈合的一体化协同。

综上所述，协同止血策略整合多种止血机制，可显著提升止血材料在复杂临床场景中的应用潜力。未来研究可进一步从分子设计、结构调控及多功能集成等层面出发，开发具有快速止血、生物安全性及组织修复能力的新型智能止血材料。

2.3 止血材料性能评估体系

开发高效、安全且便捷的止血材料是临床医学的迫切需求。随着各类新型材料的涌现，建立客观、明确的性能评估标准显得至关重要。目前，研究者通常结合体外（In vitro）与体内（In vivo）两大类实验方法，综合评价材料对凝血系统及止血过程的影响。

体外评价方法（In vitro evaluation）：体外实验主要用于评价材料的生物相容性、凝血动力学及初步止血机制。主要包括安全性评估（溶血实验）、凝血时间、凝血指数、红细胞和血小板黏附性能、活化部分凝血活酶时间和凝血酶原时间等。

1）安全性评估（溶血实验）：溶血实验[55]是评价材料生物安全性的核心指标，若材料引发红细胞破裂（溶血），释放的内含物可能诱发毒性反应或病理性血栓。实验通常采用去离子水（DI）作为阳性对照（红细胞完全裂解，上清液呈透明红色），PBS缓冲液作为阴性对照（红细胞保持完整，离心后上清液澄清）。通过测定材料组上清液的吸光度，计算溶血率。通常规定溶血率低于5% 的材料符合医用生物材料标准。

2）凝血效力评估（BCI指数）：全血凝固指数[56]（Whole blood clotting index， BCI）常用于表征材料诱导血液凝固的速度，将血液与材料接触一定时间后，用去离子水洗涤未凝固的残余血，测定其在水中的吸光度。BCI值越低，表明未凝固血液越少，材料的促凝性能越强。

3）细胞相互作用（黏附实验）：通过扫描电子显微镜（Scanning electron microscope， SEM）或荧光染色观察红细胞和血小板在材料表面的募集、黏附及活化变形程度，从而评价材料的物理/化学促凝活性。

4）凝血通路分析：利用半自动凝血分析仪检测活化部分凝血活酶时间（Activated partial thromboplastin time， APTT）、凝血酶原时间（Prothrombin time， PT）及凝血酶时间（Thrombin time， TT）。这些指标可分别反映材料对内源性途径、外源性途径及纤维蛋白形成阶段的影响，有助于阐明材料的分子机制[57]。

体内评价方法（In vivo evaluation）：体内实验旨在模拟复杂的生理出血环境，验证材料在真实创伤场景下的止血表现。

1）实验动物模型：根据研究需求，常选用小鼠、大鼠、兔、山羊或猪等动物[58]。

2）创伤模型构建：常见的模型包括尾部离断模型、肝脏损伤出血模型、股动脉大出血模型及心脏穿刺模型。这些模型涵盖了从低压静脉渗血到高压动脉喷射状出血的不同场景[59]。

3）综合评价指标：通过记录止血时间、总出血量、生存率以及术后组织粘连程度等指标，全面评估材料的临床应用潜力。

基于上述对止血机制的深入研究与性能评价标准的建立，开发具有优异生物相容性、可调控物理结构及高效促凝活性的合成材料已成为该领域的研究重点。聚氨酯作为一种性能卓越的多相结构嵌段共聚物，凭借其良好的生物相容性、出色的机械韧性以及高度可设计的化学结构，在高性能止血材料的研发中展现出巨大的潜力。通过对其微观形貌的精细调控或功能基团的化学修饰，聚氨酯能够协同触发多种止血机制，从而满足复杂临床环境下的止血需求。

3 聚氨酯基础

3.1 聚氨酯的发展

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是一类高分子主链上带有重复的氨基甲酸酯结构单元的合成聚合物的总称[60-61]。从微观结构上看，聚氨酯是一种典型的多嵌段共聚物，由软段（Soft segments，通常为聚醚或聚酯等低聚物多元醇）与硬段（Hard segments，由多异氰酸酯与小分子扩链剂反应形成）交替组成[62]。这种独特的微相分离结构赋予PU材料卓越的物理机械性能与生物学评价基础。

聚氨酯的研发最早可追溯至1937年，德国科学家Otto Bayer及其团队为应对天然橡胶短缺，成功合成了首个聚氨酯材料。随后，以六亚甲基二异氰酸酯为硬段的线性PU材料问世，标志着该材料正式进入工业化生产阶段[63]。在医学应用方面，1967年首次报道了分段聚氨酯弹性体在体内的成功应用，这一里程碑事件开启了PU作为生物医用材料的广阔前景[64]。得益于其原材料来源广泛、分子结构高度可调、合成策略高效以及优异的生物相容性，聚氨酯已渗透到生物医学的诸多前沿领域[65-66]（图3），包括但不限于：组织工程支架[67-69]（利用其可降解性与力学匹配性）、人工器官（利用其抗凝血性能与力学匹配性）、临床护理[70]（如伤口敷料[71-72]、医用黏合剂[73-74]及各类医疗导管），以及前沿交叉[75-77]（在生物柔性电子设备等领域也表现出极大的应用潜力）。在众多物理形态中，聚氨酯泡沫（Polyurethane foams， PUF）凭借其高孔隙率、低密度及优异的吸液能力[78]，成为全球范围内应用最为广泛、商业化程度最高的止血与伤口护理材料之一。

3.2 聚氨酯的合成原料及制备方法

聚氨酯由异氰酸酯、醇（胺）类和各种助剂反应而成[79]，醇类在PU合成过程中与异氰酸酯反应形成柔性片段，可直接决定材料的亲水性、吸液能力及界面润湿性，从而影响材料的止血性能，构成PU材料的二元醇主要有聚醚二元醇、聚酯二元醇和聚碳酸酯二元醇等。聚醚二元醇（如PEG、PPG）主链富含大量醚键，极性高且易与水形成稳定的氢键网络。这种结构能显著提升材料的表面能，产生强烈的毛细作用，诱导血液迅速进入泡孔并实现血细胞的高度浓缩，从而缩短凝血级联反应的诱导期。聚酯二元醇具有酯键可以赋予材料更好的机械强度，但亲水性相对较弱。因此为了实现深部伤口的快速止血，推荐使用聚乙二醇改性或聚醚/聚酯复合体系。这既能利用聚醚段实现“秒级”吸血，又能利用聚酯段或硬段维持海绵在受压状态下的结构完整性，防止物理填塞失效。

异氰酸酯种类繁多且反应活性高，二异氰酸酯是参与PU合成反应最重要的原料，其结构类型不仅影响材料的机械性能，还在很大程度上决定了材料的体内安全性，主要分为芳香族二异氰酸酯和脂肪族二异氰酸酯。芳香族（如TDI、MDI）活性高、成本低，但其降解产物（如MDA）具有潜在致癌性。对于植入式止血材料，应聚焦于脂肪族二异氰酸酯，尤其是L-赖氨酸二异氰酸酯（LDI）和六亚甲基二异氰酸酯（HDI）。LDI的降解产物为内源性氨基酸，具有天然的生物安全性。

此外在多元醇中引入聚己内酯（PCL）或聚乳酸（PLA）链段，可通过调节酯键密度精确调控降解周期，使其与组织愈合周期（通常为1~2周）相匹配。

合成PU常用的助剂有小分子扩链剂（二元醇、二元胺、醇胺等）、催化剂、增塑剂、水解稳定剂、脱模剂、着色剂和防老剂等。通过调节软硬段结构、比例、扩链剂和各种助剂的种类以及用料，可以制得性能各不相同的PU材料并实现相应的功能。

聚氨酯的合成主要基于异氰酸酯基（—NCO）与羟基（—OH）之间的逐步加成聚合反应。在实际生产中，通常在70~120 ℃条件下，配合催化剂及其他助剂，采用一步法或两步法进行制备[80]。一步法是将二异氰酸酯、大分子多元醇、扩链剂及催化剂按化学计量比一次性混合并搅拌均匀。该方法无需使用溶剂，聚合反应与扩链反应同步进行，具有反应速度快、生产流程简便的优势。但所有组分同时参与反应，各单体竞聚率的差异导致反应工程难以精确调控。这往往造成聚合物中软、硬段分布不均，进而影响产物的力学性能稳定性和微相分离程度。相较于一步法，预聚物法（两步法）因其高度的可控性，在实验室研究与高品质工业生产中更受青睐。该工艺将聚合过程分为两个阶段。

第一步（预聚反应）：首先使过量的二异氰酸酯与大分子多元醇反应，合成末端带有异氰酸酯基团的低聚物预聚体。

第二步（扩链反应）：在适宜温度下，向预聚体中引入扩链剂。此时，预聚体分子链在聚合物骨架上有规律地扩增。

尽管两步法工艺流程相对复杂，但它能显著提升对分子量分布及微相结构的调控能力。通过预聚反应，可以确保软段与硬段在分子链上的分布更加规整，从而获得物理化学性能更优异、批次稳定性更高的PU材料。因此，在对材料性能要求极严的医用级聚氨酯开发中，两步法通常作为首选合成策略。

聚氨酯泡沫海绵是一种具有三维开放式泡孔结构的聚合物材料，通常通过原位发泡技术制备。其形成过程涉及动力学上相互竞争且同时进行的两个核心反应（图4）。

凝胶反应（Gelling reaction）：主要是异氰酸酯基团与多元醇羟基之间的加成聚合。作为链增长的关键步骤，该反应构建了海绵的三维交联网络支架，为材料提供力学支撑。

发泡反应（Blowing reaction）：异氰酸酯与化学发泡剂（如水）反应，生成极不稳定的氨基甲酸酯，随后迅速分解产生CO2气体并释放热量。反应生成的伯胺会进一步与异氰酸酯结合生成取代脲。

随着聚合物网络的快速固化，原位产生的CO2气体被锁定在基质中形成气泡，最终演变为高度互联的多孔体系。PUF的连通孔径取决于异氰酸酯指数与扩链剂的官能度。增加官能度（如使用三元醇）可提高交联密度，形成更稳定的开孔结构，这对维持高通量的吸血效率至关重要。

3.3 聚氨酯的性能

3.3.1 生物相容性

作为生物医用材料，优异的生物相容性是聚氨酯临床应用的先决条件。生物相容性[81]一般指材料与宿主组织接触时，不引发全身性毒性反应、严重炎症反应或免疫排斥反应等其他不良生物学反应的能力。自20世纪50年代起，PU已在心血管介入、人工心脏及靶向药物递送等关键医疗领域得到了广泛验证。这种长期的临床应用史不仅确立了PU作为生物材料的地位，也为研发基于PU的止血海绵提供了坚实的生物安全性支撑。

3.3.2 可降解性

在现代临床医学与环保需求的双重驱动下，生物可降解材料正逐步取代永久性植入物。理想的止血材料应在完成止血任务后，能够被机体逐渐降解并吸收，且降解产物不产生毒副作用。PU的降解机制涵盖了热降解、光降解、水解、酶解及生物降解等多种途径[82]。从应用场景来讲，PU止血材料通常应用于出血部位或伤口创面，此时PU的降解主要通过水解与酶解协同作用，因此可在PU分子链中引入可水解的化学键（如酯键、酰胺键、酸酐键等）实现对降解行为的精准调控。理想的止血海绵在止血初期应保持相应的力学支撑与结构完整性，通过物理填塞或压迫作用实现止血目的，随后在止血完成及组织修复阶段，止血海绵应逐步降解，避免二次取出对组织造成伤害。因此在分子设计层面，通过调控软硬段的种类及比例实现PU的可控降解：

软段设计：由于酯键极易水解[83]，研究者常选用聚酯多元醇（如聚己内酯PCL、聚乳酸PLA、聚乙交酯PGA）作为软段。相比之下，传统的聚醚二元醇（如PEG、PPG）具有化学稳定性，通常需与聚酯或聚碳酸酯共聚构建三嵌段结构，以平衡材料的机械强度与降解速率。

硬段设计：为确保降解产物的生物安全性，硬段通常选择脂肪族二异氰酸酯（如HDI、LDI、IPDI）。特别是基于赖氨酸二异氰酸酯（LDI）的聚氨酯，由于其侧链含有可水解基团，往往表现出更高的降解动力学特征[84]。

此外，PUF独特的微相分离结构（软段与硬段交替排列）能够在纳米尺度上构建出不同极性的微区网络。这种异质性表面不仅在物理形貌上增加了粗糙度，更在化学层面上为各种血液大分子及细胞提供了多样化的结合位点。通过这种“结构-化学”的双重协同效应，PUF能够有效激活凝血级联反应，同时促进血小板的快速黏附与活化、纤维蛋白网络的形成以及血细胞的致密聚集，从而显著提升其在复杂出血微环境下的综合止血效能。

3.3.3 形状记忆性能

形状记忆聚合物（Shape memory polymer， SMP）是一类能够响应外部物理刺激（如热、光、电、磁等）而发生形变的智能材料，其能从预设的临时形状恢复至原始永久形状[85]。SMP独特的形态响应特性，使其在生物医学领域展现出了巨大的潜力。

PU表现出卓越的形状记忆效应，这归功于其多嵌段分子链中软段（开关相）与硬段（固定相）之间的物理交联网络。这一特性为解决临床中极具挑战性的出血场景提供了创新方案。深部不可压迫止血的关键在于材料的“主动填塞”。通过设计具有明确微相分离结构的嵌段聚氨酯（以PCL为柔性段，芳香族或环族异氰酸酯为硬段固定点），可以赋予海绵优异的形状记忆效应。海绵在压缩状态下植入伤口，遇血后利用体温诱导触发形状恢复，产生由内向外的径向压力，实现对深部血管的“精准封堵”。

4 聚氨酯海绵在止血及创面愈合中的应用

聚氨酯泡沫是一类具有三维开放式泡孔结构的弹性聚合物，凭借其低密度、卓越的弹性恢复力、优异的透气性及液体吸收能力，已从传统的工业领域扩展至高端生物医学领域。

PUF卓越的止血效能并非仅源于其宏观多孔结构的物理填塞作用，更核心的优势在于其分子链结构与血液成分间的多尺度相互作用。

（1）分子链官能团的协同效应：PU分子链中富含氨基甲酸酯基（—NHCOO—）、脲基（—NHCONH—）及醚键（—C—O—C—）或酯键（—COO—）。这些极性基团可作为强有力的氢键供体或受体，与血浆蛋白（如纤维蛋白原、凝血酶）的氨基、羧基及酰胺键形成稳定的氢键网络。这种相互作用能够诱导纤维蛋白原在材料表面的快速吸附并发生构象变化，从而降低级联反应的活化能，加速其向纤维蛋白的转化。

（2）表面电荷的精确调控：针对红细胞膜表面带负电的特性，通过在PU分子链中引入带正电的扩链剂（如季铵盐、伯/仲胺基等），可实现表面电荷的定向调控。通过强烈的静电吸附作用，PUF能够主动俘获并富集红细胞，在创面迅速形成高强度的致密血凝块。

（3）纳米尺度微相分离的影响：PUF独特的软/硬段微相分离结构在纳米尺度上构建了极性迥异的微区。这种异质性表面为血液成分提供了多样化的物理/化学结合位点，实现了“结构-化学”的双重协同：硬段微区有利于蛋白质的锚定与血小板的活化，而软段微区则赋予材料优异的柔韧性与变形能力。这种多尺度协同显著提升了PUF在复杂、不可压迫性出血环境下的止血效率。

作为止血材料，PUF不仅能通过物理填塞止血，还能通过化学改性集成抗菌、智能响应及渗出液管理等功能，演变为新一代多功能智能敷料。

4.1 针对复杂创面的形状记忆止血性能

皮肤作为人体的第一道防线，其损伤修复涉及止血、炎症、增生及重塑4个动态阶段[86]。对于深部或不规则的不可压迫出血，传统止血材料往往难以实现有效填塞与持续止血。近年来，基于PUF的形状记忆止血材料受到了广泛的关注。相关研究表明，该类材料可在压缩状态下实现微创递送，并在接触血液或体温刺激后迅速恢复原始状态，从而对创面产生主动压迫，实现高效止血。Wang等[84]利用冷冻干燥技术制备了透明质酸/聚氨酯（Hyaluronic acid-polyurethane， HA-PU）复合冷冻凝胶（图5），通过调控多孔结构与网络弹性，实现了优异的压缩-恢复性能。该材料表现出极强的压缩性（可压缩至原体积的1/7），并在接触血液后迅速恢复原状。HA-PU可以在外力作用下切割或设计成任意形状，因此在深层或不规则伤口处具有一定的应用潜力。在体外止血实验中，相较于空白组和纱布组，HA-PU冷冻凝胶的凝血指数低于20%。在凝血时间的测试中，HA-PU冷冻凝胶的全血凝固时间仅为（2.01 ± 2.03）min，是医用纱布止血时间的1/5。这些数据均可说明HA-PU具有显著的止血优势。大鼠肝出血模型进一步评估了HA-PU的体内止血性能，HA-PU冷冻凝胶的出血量仅有（80 ± 23）mg，远低于空白组与纱布组（（486 ± 42）mg 和（216 ± 34）mg）。同时止血时间也具有显著性差异（图5）。HA-PU冷冻凝胶具有大孔结构和快速的形状恢复能力，很有潜力成为外伤出血的止血敷料。此外，Niu等[87]采用预聚物法制备了脂肪族聚氨酯海绵，聚氨酯海绵（ε-polylysine polyurethane sponge， EPU）中的聚赖氨酸（ε-polylysine， EPL）可通过希夫碱反应与氧化透明质酸（Oxidized hyaluronic acid， OHA）交联，形成聚赖氨酸/透明质酸复合聚氨酯海绵（ε-polylysine/hyaluronic acid polyurethane， EHPU），最后喷涂超疏水涂层形成了Janus聚氨酯止血海绵。体外凝血测试时，加入OHA的EHPU具有较低的凝血指数和较短的凝血时间，同时也展现了良好的红细胞和血小板黏附，并且观察到了血小板伸出伪足，表明了血小板的活化与聚集。这些结果共同表明了OHA能增强PU海绵的血液吸收能力和凝血能力；同时也进一步说明，通过结构设计与功能化的协同调控，可显著提升PUF的止血性能。

4.2 鼻腔填充：兼顾抗菌与生物降解

功能性内镜鼻窦手术是临床治疗慢性鼻窦炎的有效途径，术后出血是伤口愈合缓慢的原因之一。由于鼻腔结构狭窄，鼻腔填充物成为预防术后出血和创伤性粘连的有效方法。术后鼻腔填充物需要在鼻内维持5~7 d，其间填充物吸收血液容易滋生细菌导致感染，因此有效的抗菌性和较快的降解性对于鼻腔填充物至关重要。Ding等[88]将合成的季铵化壳聚糖作为扩链剂和抗菌剂，制备了可降解的聚氨酯泡沫（Polyurethane foams with quaternized chitosan， PUF-QCS）敷料（图6）。PUF-QCS2.0%（含2% QCS）表现出优异的液体吸收能力（19.4 g/g），湿态（14.5 kPa）和干态（7.7 kPa）均具有较高的抗压强度，且7 d内降解良好（8.3%）。与此同时，PUF-QCS2.0%在抗菌测试中可保持长达7 d的抗菌活性，在6 h内杀死97.3%的金黄色葡萄球菌和91.8%的大肠杆菌。此外，PUF-QCS2.0%在兔鼻中隔黏膜创伤模型中表现出了良好的止血效果，与商用聚乙烯醇海绵（Polyvinyl alcohol， PVA）相比，止血时间缩短了一半以上，失血量降低了76.1%。最重要的是，PUF-QCS海绵在鼻腔中表现出了显著的抗菌活性。这表明这种鼻腔填充材料在术后控制出血和预防感染方面具有一定的优势。

4.3 有效负载：添加生物活性成分的PUF

单一的PUF止血能力有限，采用协同止血策略可增强PUF的止血效果。生物活性材料的加入可激活不同的凝血途径，加速止血进程，同时可有效促进后期伤口创面的愈合。Petryk等[89-91]制备了可生物降解的PUF，用于创伤出血和伤口愈合。明胶改性的PUF具有明显的促凝特性，加快了止血速度，同时具有生物活性的明胶可以促进成纤维细胞的增殖与迁移，增强伤口修复的效果。

4.4 渗出液管理：智能Janus结构与光热协同

高度感染的慢性伤口，过量的渗出液可能会产生持续的炎症并加重感染，阻碍伤口的愈合。传统纱布或绷带的液体管理能力有限，水凝胶、水胶体或聚氨酯海绵可以吸收一定的渗出液，但长期接触容易导致渗出物过多，导致二次感染或伤口加重。因此开发多功能伤口敷料管理伤口渗出液和细菌滋生问题是很重要的。“Janus”一词源于古罗马神话中的“双面神”。在材料科学领域，Janus材料特指具有不对称结构或双重性能集成的功能体系。具体到聚氨酯止血材料，Janus结构通常表现为功能分区明确的非对称界面，例如材料一侧为超疏水抗菌层，另一侧为亲水吸液层。这种独特的不对称结构设计巧妙地实现了同一材料体系内不同功能的相互分离与多重协同，从而在复杂的生物医学应用中展现出显著优势。Chen等[92-93]设计并制备了一种多功能的Janus聚氨酯海绵（Janus-PU），通过在海绵表面涂覆近红外响应（Near-infrared responsive， NIR）且超疏水的纳米颗粒（F-ZnO@Ag NPs）（图7）。纳米功能化的外层赋予Janus-PU超疏水性能，防止细菌黏附增殖，同时银纳米粒子产生广谱抗菌活性。通过非对称性结构与近红外光热效应的协同作用，Janus-PU实现了近红外控制的单向渗出物的移除，从而实现伤口愈合的最佳润湿环境。在NIR照射下用 Janus-PU治疗全层皮肤急性伤口的小鼠，其抗感染和愈合效果优于市售敷料。同时使用Janus-PU结合近红外照射，可因抗菌和渗出物管理的协同效应，加速因耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Methicillin-resistant staphylococcus aureus， MRSA）感染的糖尿病慢性伤口的恢复。这表明Janus-PU是一种有前景的多功能敷料。

4.5 可持续发展：生物质聚氨酯的绿色合成

聚氨酯海绵因其良好的生物相容性和机械性能被用作伤口敷料，然而来自非可再生石油资源的传统PUF敷料仍存在抗菌活性较弱的问题。此外，在替代石油产品和支持循环经济的背景下，开发环保型聚氨酯材料用于生物医学应用也非常迫切。因此利用一种简单的方法合成生物质聚氨酯复合材料显得尤为重要[95-96]。Li等[94]利用生物基聚醚多元醇木质素代替石油基聚醚多元醇合成聚氨酯泡沫（Lignin-based polyurethane foams， LPUF），液化木质素中的酚羟基将银离子还原为银纳米颗粒（Silver nanoparticles， Ag NPs）固定在PUF结构中（图8）。抗菌实验中Ag NP-LPUF在1 h内对大肠杆菌和4 h内对金黄色葡萄球菌的抑制率均超过99%。小鼠动物模型模拟了全皮层皮肤伤口的治疗，对照组商用薄膜Tegaderm films与其他3个组别相比具有显著的差异性，且第14天Ag-LPUF的伤口闭合效果最佳。LPUF表现出了优异的抗菌性能，为下一代生物质伤口敷料的发展提供了良好条件。聚氨酯海绵在止血及创面愈合中的应用见表1。

综上所述，PUF在止血领域展现出由“结构优势驱动”向“功能集成调控”演进的显著发展趋势。其三维互联多孔结构不仅赋予材料优异的快速吸液与物理填塞能力，还通过调控孔径分布与连通性，实现对凝血过程的动态调节。在此基础上，通过分子设计与表面功能化改性，PUF已逐步具备主动诱导凝血、抗菌防感染及调控创面微环境等多重功能。进一步来看，PUF的核心优势在于其“结构-性能-功能”的高度可设计性：一方面，软硬段比例、孔结构及力学性能的可调控性，使其能够适配不同类型的出血场景（如浅表渗血与深部不可压迫性出血）；另一方面，通过引入生物活性分子或构建Janus结构等策略，可实现止血、抗菌与促愈合的协同统一。这种从“被动止血材料”向“主动治疗平台”的转变，标志着PUF在高端止血材料体系中的重要发展方向。

5 总结和展望

PU作为全球研究最深入、应用最广泛的高分子材料之一，在生物医学止血领域展现了巨大的应用潜力。聚氨酯泡沫海绵[97]作为一类先进的止血材料，其发展历程清晰地刻画了止血敷料从单一的“物理吸收性屏障”向高度工程化的“多功能智能平台”演进的过程。凭借其卓越的化学可调性与微相分离结构，PUF已成功实现了从依赖物理填充的被动止血向具备环境响应、主动诱导凝血的主动治疗模式的跨越。

目前的进展表明，通过分子设计调控PUF的形状记忆性能、孔隙结构及表面极性，可以显著提升其在复杂、不规则创面（如深部贯穿伤）中的止血效率。此外，Janus结构的引入及生物质组分（如木质素、壳聚糖）的复合，不仅赋予了材料优异的液体管理能力与抗菌活性，同时也契合了生物医用材料向低碳化、环境友好型转化的宏观趋势。

尽管取得了显著成果，但要实现从实验室研究向临床应用的跨越，未来的研发重心应集中在以下几个维度：

1）一体化智能生物系统的构建：最具前景的研究方向在于开发具备自适应、多重生物功能的一体化系统。研发重点应转向利用共价键合等稳态化学手段，将受自然启发的生物活性分子（如仿生肽、酶、抗氧化基团）整合至聚氨酯网络中。

2）全周期的创面修复调控：理想的PU敷料应具备“止血-抗炎-再生”的协同效应，即在创伤早期实现高效止血与广谱抗菌，在中期通过抗炎抗氧化作用改善微环境，并在后期作为生物支架引导组织再生。

3）精准的降解动力学调控：确保材料具有可控且安全的降解曲线，使降解速率与组织再生速率相匹配，且降解产物在体内的代谢路径清晰、无毒性累积。

总之，聚氨酯止血材料的研究已进入精准医疗与合成生物学交叉的新阶段。通过深度挖掘其作为三维物理支架的独特优势，并赋予其全面调控愈合过程的生物活性，聚氨酯有望在未来成为真正意义上的“治疗性生物材料”，为临床出血控制与创伤修复提供更为安全、高效的解决方案。

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基金资助

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