粘土の魔法のような使い方！ 「伝統的な」止血法における新たな進歩

制作：中国科学普及協会

著者: 王暁梅、王愛琴、牟斌 (中国科学院蘭州化学物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

私が田舎で子供だった頃、指を誤って切って血が出たとき、人々は田舎道から柔らかい土を取ってきて傷口に撒いてくれました。この非常に細かく柔らかい砂が落ちると、傷口の出血は奇跡的に止まりました。 「土」も出血を止めることができることが判明しました。

では、出血を止めることができる「土」の秘密は何でしょうか？

実は、「土」が出血を止める原理は、「土」の吸着・凝固作用を利用することなのです。 「土」は通常、細かい砂と粘土粒子の混合物です。中でも粘土粒子は粘着性が高く、多量の水を吸収することができます。この「土」を傷口に塗ると、粘土の粒子が血液の水分を吸収して固まりになり、同時に表面の細菌や不純物を吸着して感染を防ぐことができます。

土を一掴み

（写真提供：veerフォトギャラリー）

現在、現代科学は出血を止めることができる「土」の粘土の主成分がケイ酸塩粘土鉱物であることを証明しました。主なものはカオリナイト、ハロイサイト、蛇紋石であり、その構造単位層はケイ素-酸素四面体とアルミニウム-酸素八面体が1:1である。モンモリロナイト、アタパルジャイト、セピオライト、パイロフィライト、イライト、バーミキュライトであり、構造単位層は2:1である。これらの粘土鉱物は、さまざまな構造 (層状、層鎖状)、形態 (球状、棒状、繊維状、管状、層状)、および寸法 (0D、1D、2D) を持つ鉱物結晶を形成できます。

独自のナノ結晶構造、永久構造電荷、制御可能な層間ドメイン、特殊な細孔構造は、さまざまなプロセス処理、構造、表面機能の調整を通じて、多くの分野で広く使用されています。

粘土鉱物は止血のさまざまな用途に使用されていますが、それぞれに欠点があります。

近年、止血における天然ケイ酸塩粘土鉱物の研究は大きく進歩しました。カオリナイトは負電荷を介して凝固因子を活性化し、フィブリン形成を直接促進して血液凝固を促進します。そのため、初期の止血材としては、カオリン（主な鉱物はカオリナイト）を含浸させた不織布ガーゼ（Quick-Clot Combat Gauze®）が第一選択肢となっていました。しかし、止血速度が遅い、複数回の使用が必要、凝固障害のある患者への効果が低いなどの欠点があります。

一方、モンモリロナイトは水に触れると容易に膨張し、血液中の有効成分と架橋して、強い可塑性と接着性を持つペースト状のバリアを形成します。同時に、表面の負電荷により凝固カスケード反応を活性化し、止血を促進します。しかし、モンモリロナイト顆粒止血剤は局所的な炎症反応や血管内層の損傷を引き起こし、過剰な凝固を伴って遠位臓器血栓症のリスクにつながる可能性があります。そのため、近年では主に複合止血材の構築に使用されています。

さらに、管状ハロイサイトと繊維状セピオライトの止血に関する研究では重要な進歩が遂げられていますが、粘土鉱物自体の止血特性とメカニズムについてはさらに研究する必要があります。

吸着性に優れたアタパルジャイトは出血を止めるのに使えますか？

アタパルジャイト（パリゴルスカイトとも呼ばれる）は、規則的な細孔（0.37nm×0.64nm）と一次元の棒状結晶形態（長さ約1〜5μm、直径約20〜70nm）を持つ、含水マグネシウムを豊富に含むアルミニウムケイ酸塩鉱物です。独特な結晶構造と優れた物理的・化学的性質により、吸着、コロイド、キャリア、補強材として広く使用されていますが、止血に関する研究にはまだギャップがあります。

アタパルジャイトの形態とナノ細孔構造

（画像提供：中国科学院蘭州化学物理研究所）

中国科学院蘭州化学物理研究所鉱物機能材料チームは長年にわたりアタパルジャイトの機能性応用研究に取り組んでおり、アタパルジャイトの多くの新たな応用分野を開拓してきました。吸着効果が強いので、アタパルジャイトは止血に使えるのではないか？と当然考えてしまいます。

アタパルジャイトは、地質学的形成過程でさまざまな構造を形成することがあります。二八面体アタパルジャイトは優れた吸水性を持っています。アタパルジャイト粒子は血液中の水分を素早く吸収し、ブロック状に凝縮できますか?チームは微細構造に対する深い理解に基づいて、関連する研究作業を開始しました。

研究により、アタパルジャイトには一定の止血特性があることがわかっていますが、臨床現場で使用されている止血材料と比較すると、その止血効率を向上させる必要があります。研究チームは、吸水率をさらに向上させるために、アタパルジャイトのシュウ酸勾配溶解を利用して、比表面積、細孔容積、表面活性基を増加させました。研究では、アタパルジャイトをシュウ酸に1時間溶解すると、最も優れた凝血促進効果があることが判明しました。

止血メカニズムをさらに探究するために、研究者らはシュウ酸勾配によって侵食されたアタパルジャイトの金属イオン、表面電荷、親水性の変化などの物理的・化学的特性を分析した。

研究によると、シュウ酸の溶解時間が長くなるにつれて、アタパルジャイト骨格内の放出可能な Fe3+ および Mg2+ イオンが大幅に減少し、表面電荷がより負になり、接触角が大幅に減少してからわずかに増加することが示されています。溶解後1時間で、止血プロセスに必要な三価鉄イオンと二価マグネシウムイオンがよりよく保持され、凝固反応を加速するのに有益でした。

アタパルジャイトのナノ細孔構造の変化を相関させることにより、その止血メカニズムは主に、血球接着と血栓形成をサポートするナノ細孔、優れた吸水性、内因性凝固経路を活性化する負電荷、および金属イオン補助凝固プロセスに起因することがわかります。

酸エッチングアタパルジャイトの物理化学的性質とその止血メカニズム

（画像提供：中国科学院蘭州化学物理研究所）

さらに一歩前進！混合次元アタパルジャイト粘土は出血を止めるのに使用できますか?

これまでの研究により、さまざまな粘土鉱物はそれぞれ異なる程度の止血特性を持っていることがわかっていますが、高品質で高純度の粘土鉱物資源の消費が急速に進むにつれて、混合次元粘土鉱物の高価値利用が大きな注目を集めています。

火山噴火堆積によって形成された高純度のアタパルジャイトとは異なり、内陸塩水湖堆積によって形成されたアタパルジャイト鉱石は、主に一次元のアタパルジャイトで構成され、二次元のイライト、緑泥石、カオリナイト、イライト・モンモリロナイト混合層鉱物が伴います。鉱物の完全な利用を実現するために、研究チームは応用鉱物学と鉱物材料科学の観点から、これを混合次元アタパルジャイト粘土 (MDAPT) と定義しました。甘粛省臨沢市だけでも確認済みの資源埋蔵量は13億5千万トンに達する。

混合次元アタパルジャイト粘土は、さまざまな程度の止血特性を持つ粘土鉱物を組み合わせています。それで、その止血効果は累積的な効果をもたらすのでしょうか?

研究チームは、さまざまな粘土鉱物の特性の違いに基づいて、混合次元のアタパルジャイト粘土、モンモリロナイト、カオリナイト、ハロイサイト、ゼオライトを選択し、それらの止血特性について比較研究を実施しました。全血動態ヘモグロビン吸収、凝固指数、血漿動態、赤血球および血小板の接着と活性化、マウス尾切断止血モデルなどの指標を選択して、材料の止血特性とメカニズムを体系的に研究しました。研究の結果、混合次元アタパルジャイト粘土は最も優れた止血特性を持つことが判明しました。

止血効果をさらに向上させるために、混合次元アタパルジャイト粘土のシュウ酸勾配溶解も使用され、粘土鉱物の構造変化と止血特性間の構造活性相関が調べられました。これを基に、研究チームは市販の製品を対照群として、またマウスの尾切断動物モデルを使用して、酸エッチングされた混合次元アタパルジャイト粘土の止血特性を評価しました。

研究では、シュウ酸で 1 時間処理した混合寸法アタパルジャイト粘土 (S-1) が最良の凝固効果を発揮することがわかりました。

マウスの尾切断モデルにおける出血と止血実験の写真

（画像提供：中国科学院蘭州化学物理研究所）

赤血球は止血プロセスにおいて重要な役割を果たすため、赤血球に対する生体材料の接着能力は、止血メカニズムを研究するための主なパラメータとして使用されます。血小板は血栓形成過程における重要な構成要素です。血小板が活性化されると、顆粒膜タンパク質と血小板膜タンパク質が融合し、顆粒膜タンパク質が血小板膜の表面に跳ね上がります。

そこで、混合次元アタパルジャイト粘土の表面における赤血球の付着と血小板の活性化を研究し、付着した赤血球の数と形態、血小板活性化率と組み合わせることで、S-1 が最高の止血性能を持つことがさらに確認されました。

混合次元アタパルジャイト粘土と赤血球との界面相互作用と血小板活性化率のSEM画像

（画像提供：中国科学院蘭州化学物理研究所）

すると、次のような疑問が湧くかもしれません。「混合次元アタパルジャイト粘土は優れた止血特性を持っているので、そのまま使用しても安全でしょうか？」

これは、生体材料が研究室から臨床応用へと移行する際に直面する重要な問題でもあります。

予備研究では S-1 は生体適合性が良好であることが示されていますが、その後の小動物から大型動物までの生体内実験評価が不可欠です。

混合次元アタパルジャイト粘土の生体適合性の評価

（画像提供：中国科学院蘭州化学物理研究所）

結論として、混合次元アタパルジャイト粘土はシュウ酸勾配によって溶解され、その止血性能が生体内および生体外で評価されました。 1時間のシュウ酸処理が最良の止血効果と良好な生体適合性を持つことが確認され、混合次元アタパルジャイト粘土の新たな応用の道が開かれました。

しかし、混合次元アタパルジャイト粘土鉱物のうちどの粘土鉱物が最も貢献しているかを判断するには、包括的な動物検証実験とともにさらなる研究が必要です。チームは今後も前進を続け、これを基に、組み立て戦略を通じてさまざまな創傷出血状態をターゲットにし、止血材の個別化されたニーズを満たすために、さまざまな剤形の多機能創傷治癒材の設計に努めていきます。