先進(jìn)技術(shù)在醫(yī)用紡織材料中的應(yīng)用

先進(jìn)技術(shù)在醫(yī)用紡織材料中的應(yīng)用*

秦益民1李可昌2鄧云龍2申勝標(biāo)2郝玉娜2邵建華2

(1. 嘉興學(xué)院材料與紡織工程學(xué)院，嘉興,314001；

2. 青島明月海藻集團(tuán)有限公司，青島, 266400)

摘要：闡述了高分子、纖維和紡織材料等功能化改性的研究進(jìn)展，介紹了制備醫(yī)用紡織材料的工藝技術(shù)及其產(chǎn)品的性能和應(yīng)用。通過對高分子、纖維、紡織材料、復(fù)合材料等的化學(xué)、物理、生物等功能化改性，可以有效提高紡織材料的使用性能，開發(fā)具有高吸濕、抗菌、抗紫外、藥物緩釋和防護(hù)等功能的醫(yī)用紡織新材料，在生物醫(yī)用材料及功能性醫(yī)用紡織品領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用紡織材料，生物醫(yī)用材料，功能化，改性技術(shù)，研究進(jìn)展

中圖分類號：TS106.6+7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-11-02

作者簡介：秦益民，男，1965年生，教授。主要從事功能性纖維的研究與開發(fā)。

醫(yī)用紡織材料是一類基于纖維，用于醫(yī)療的具有生物相容性、無毒副作用的功能紡織材料，其制品廣泛應(yīng)用于病區(qū)防護(hù)、個人衛(wèi)生、外科修復(fù)、人造器官等與人類健康密切相關(guān)的領(lǐng)域，涉及醫(yī)生工作服、病人服、床單、手術(shù)巾、紗布、衛(wèi)生巾、手術(shù)縫合線、人造血管、組織工程支架等種類繁多的醫(yī)療衛(wèi)生產(chǎn)品[1]，其制備過程包括化學(xué)纖維、紡紗、機(jī)織、針織、編織、非織造布和特殊織物等領(lǐng)域的傳統(tǒng)和先進(jìn)加工技術(shù)[2-4]。人口老齡化和人類對健康與長壽的追求為醫(yī)用紡織材料的發(fā)展提供了不斷增長的市場，社會的進(jìn)步與生活水平的提高也對醫(yī)療衛(wèi)生用品的性能、質(zhì)量、可操作性等指標(biāo)提出了更為嚴(yán)格的要求。結(jié)合醫(yī)療、材料、紡織、生物、機(jī)械、電子等相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，紡織材料特有的強(qiáng)度、延伸性、柔性、透氣和透濕性等性能為醫(yī)療衛(wèi)生和保健領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)提供了技術(shù)保障，在與先進(jìn)的材料加工技術(shù)結(jié)合后，醫(yī)用紡織材料可以為醫(yī)療領(lǐng)域提供性能優(yōu)越、質(zhì)量可靠、使用便捷的新產(chǎn)品，其多功能及智能特性在與高表面積、高吸收性等傳統(tǒng)性能結(jié)合后具有很高的應(yīng)用價值[5]。

*山東省泰山學(xué)者藍(lán)色產(chǎn)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(20130009)

本文綜述了醫(yī)用紡織材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展，并介紹了高分子材料改性、纖維加工、紡織成型及復(fù)合材料等領(lǐng)域的新技術(shù)及其在醫(yī)用紡織材料中的應(yīng)用。

1高分子材料的功能化改性技術(shù)

圖1顯示了以高分子為原料制備醫(yī)用紡織材料的基本流程，其中高分子材料的理化特性對醫(yī)用紡織材料的生物相容性、生物可降解性、吸濕性、抗菌性和其他功能特性起決定作用[6]。甲殼素、海藻酸等天然高分子及其改性產(chǎn)物具有良好的生物相容性、親水性、生物可降解性等特性，適用于制備高吸濕、親膚、護(hù)膚類醫(yī)用纖維，而聚乙烯、聚丙烯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯等合成高分子材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，在防護(hù)、過濾、隔離等應(yīng)用領(lǐng)域具有更好的應(yīng)用價值。

圖1　醫(yī)用紡織材料的結(jié)構(gòu)框架示意

通過化學(xué)改性可以有效提高天然和合成類高分子材料的使用性能，在強(qiáng)化其特性的同時拓寬其應(yīng)用范圍。甲殼胺是一種具有特殊聚陽離子特性的天然高分子，其抑菌、促愈等性能在功能性醫(yī)用敷料中有很高的應(yīng)用價值。用氯乙酸、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧丙烷等對甲殼胺進(jìn)行化學(xué)改性后制備的羧甲基、羥乙基、羥丙基甲殼胺等改性產(chǎn)物是甲殼胺的水溶性衍生物，在與海藻酸鈉共混后能制備具有很高吸濕性能的共混纖維材料，可應(yīng)用于醫(yī)用敷料的生產(chǎn)。

合成高分子的結(jié)構(gòu)和性能可以通過聚合過程中單體組成的控制加以調(diào)節(jié)，共聚改性已成為醫(yī)用高分子材料改性的一個重要途徑。對羥基乙酸、乳酸等聚合過程中單體比例的調(diào)節(jié)可以有效控制共聚產(chǎn)物的親水或疏水性，以及熔融溫度、生物降解速度等綜合性能，可以根據(jù)臨床使用需要開發(fā)適合皮膚移植、手術(shù)縫合線等用途的共聚物。

在單體、支鏈、主鏈側(cè)基的功能化改性過程中加入具有抗菌性能的化學(xué)基團(tuán)后可以賦予高分子材料本質(zhì)抗菌性能。把聚對苯二甲酸乙二醇酯用氧等離子體輝光放電處理后可以在其表面產(chǎn)生活性基團(tuán)，在與季銨化甲殼胺耦合后得到接枝了具有抗菌作用的甲殼胺的聚對苯二甲酸乙二醇酯[7]。

2纖維材料的功能化制備技術(shù)

通過濕法、熔融、靜電紡絲等化學(xué)纖維制備技術(shù)可以把各種類型的高分子材料加工成具有一定強(qiáng)度和延伸性的纖維材料，并通過紡織工藝加工成織物后應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域。在此過程中，通過對加工條件的控制可以制備具有特殊結(jié)構(gòu)、理化性能和力學(xué)特性的纖維材料，使其具有應(yīng)用過程中所需要的粗細(xì)度、形態(tài)結(jié)構(gòu)、純度、無菌性、吸濕性、蓬松性、舒適性等特性，起到止血、緩解疼痛、保暖、透氣、低黏、無過敏、無刺激等醫(yī)用紡織材料所需要的功效[8]。以下是幾種適用于醫(yī)用紡織材料的纖維成形和改性技術(shù)。

2.1超細(xì)纖維技術(shù)

超細(xì)纖維的直徑小于5 μm或線密度低于0.33 dtex，由其制備的紡織品剛性低、手感柔軟、比表面積高，并通過毛細(xì)效應(yīng)使織物具有良好的吸濕和散濕性。用超細(xì)纖維加工制備的醫(yī)用紡織材料具有舒適、美觀、保暖、透氣等性能，疏水和防污特性有明顯提高。超細(xì)纖維面料可用于防護(hù)類醫(yī)用紡織品的制備，也可用于血液過濾等特殊領(lǐng)域[9]。

2.2納米技術(shù)與納米纖維

納米技術(shù)為醫(yī)用紡織材料的研發(fā)提供了廣闊的空間。作為功能性添加劑，納米材料在抗菌及防靜電性能、抗紫外線、防沾污性、抗皺性等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值，而基于天然和合成高分子的納米纖維、納米管、納米棒等新材料也有特殊的應(yīng)用價值，可以負(fù)載順磁性粒子、抗菌藥物、酶等生物活性材料，用于防護(hù)性服裝、藥物緩釋、組織工程、再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[10]。

2.3靜電紡絲技術(shù)

靜電紡絲是近年來得到迅速發(fā)展的一種纖維生產(chǎn)技術(shù)，可以通過溶劑的揮發(fā)制備具有納米尺度的纖維材料。以水為溶劑可以制備聚氧化乙烯、聚乙烯醇等水溶性纖維，以有機(jī)溶劑可以制備聚乳酸、聚酰胺等超細(xì)纖維材料[11]。共靜電紡絲把兩組紡絲液通過同心環(huán)形噴嘴擠出成形，并通過噴絲孔的設(shè)計(jì)可以把一種高分子包埋在另一種高分子中形成復(fù)合纖維，由于成形速度快，兩種高分子在形成纖維前尚未混合，處在核心部位的高分子可以負(fù)載藥物等活性成分，而外層高分子可以起到緩控釋放的功能[12]。

2.4中空纖維

以醋酸纖維素和銅氨人造絲為原料制備的中空纖維在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中有很高的應(yīng)用價值，可用于過濾及生物反應(yīng)器。聚砜、聚酰胺、聚丙烯腈等合成高分子制備的中空纖維也具有很好的使用價值，在用含磷脂的高分子改性后可以有效改善其與血液的相容性，降低其對蛋白質(zhì)的吸附和血小板的黏附。用磷脂類高分子與纖維素共混后制備的中空纖維膜具有很好的透氣性、血液相容性和細(xì)胞相容性，在血液凈化和肝臟輔助生物反應(yīng)器中起重要作用[13-15]。

2.5成膠性纖維

成膠性纖維是一類在遇水濕潤后能形成纖維狀水凝膠的功能纖維材料，其纖維結(jié)構(gòu)富含親水性基團(tuán)，能把大量的水分吸收進(jìn)入纖維的結(jié)構(gòu)中，在具有很高吸濕性的同時也具有很好的保濕性能，可為傷口的愈合提供一個濕潤的環(huán)境，適用于功能性創(chuàng)面用敷料的制備。把棉花、黏膠纖維、甲殼胺纖維等含有羥基、氨基等活性基團(tuán)的纖維與氯乙酸進(jìn)行羧甲基化改性處理后，可以在纖維結(jié)構(gòu)中加入親水性的羧甲基鈉基團(tuán)，得到的羧甲基纖維素和羧甲基甲殼胺纖維具有優(yōu)良的成膠性能，可以在吸收傷口滲出液后形成一個濕潤但不潮濕的環(huán)境，有效促進(jìn)傷口的愈合[16]。

3紡織材料的功能化成型技術(shù)

醫(yī)用紡織材料具有批量小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能多樣等特點(diǎn)，在加工成型過程中適合使用個性化的成型技術(shù)以控制材料的形狀、孔隙度、體積、纖維取向等結(jié)構(gòu)特征，更好地滿足其在醫(yī)療領(lǐng)域中應(yīng)用的要求[17]。以下是一些應(yīng)用于醫(yī)用紡織材料中的紡織成型技術(shù)。

3.1間隔織物

具有三維立體結(jié)構(gòu)的間隔織物包含大量的空間，有超強(qiáng)的吸濕、保濕功效，在醫(yī)用敷料、衛(wèi)生材料、吸濕墊等產(chǎn)品中有很高的應(yīng)用價值。如圖2所示，間隔織物由表面層和間隔纖維組成，后者一般由具有較強(qiáng)剛性的單絲制備，這樣的結(jié)構(gòu)在具有包容液體、隔熱等性能的同時也具有較好的耐壓性，可以通過控制纖維的種類、纖維在織物中的取向、針跡密度等工藝參數(shù)調(diào)控產(chǎn)品的性能。

圖2　間隔織物結(jié)構(gòu)示意

3.2涂層和復(fù)合

對紡織材料進(jìn)行涂層處理可以有效改變其表面性能。例如，用甲殼胺對非織造布進(jìn)行后整理，可以使材料負(fù)載一層具有生物活性的甲殼胺薄膜，起到抑菌、促進(jìn)傷口愈合等作用，有效阻止外源微生物的入侵[18]；用多孔熱塑性或熱固性薄膜與紡織材料復(fù)合可以獲得防水、透氣、隔離微生物等功效，其中用聚四氟乙烯膜與紡織材料復(fù)合，可以把紡織材料的強(qiáng)度、柔順性和膜的耐酸、耐堿、防水等特性有效結(jié)合，在衛(wèi)生材料中有特殊的應(yīng)用價值。

圖3顯示了一種用乙烯-丙烯酸甲酯共混膜與含銀海藻酸鹽非織造布復(fù)合后制備的抗菌醫(yī)用敷料，其中隔離膜在降低敷料對創(chuàng)面黏附性的同時通過其多孔結(jié)構(gòu)為傷口滲出液提供通透性，而非織造布中的鍍銀聚酰胺纖維可以持續(xù)釋放出銀離子，在海藻酸鹽非織造布吸收大量滲出液的基礎(chǔ)上為敷料提供抗菌性能[19]。

圖3　一種復(fù)合抗菌敷料的示意

3.3表面處理

通過物理、化學(xué)、生物等改性處理可以改變紡織材料的表面結(jié)構(gòu)，提高其親水、抗菌、低黏等使用性能。通過電鍍、等離子體噴霧等方法在織物表面負(fù)載一層金屬銀可以制備具有抗菌性能的醫(yī)用敷料應(yīng)用于燒傷創(chuàng)面的護(hù)理，利用納米銀對紡織材料處理后也可以得到具有抗菌和消毒功能的醫(yī)用紡織材料，對細(xì)菌、真菌、微生物有很強(qiáng)的抑制作用[20]。為了改善醫(yī)用紡織材料的親水性能，可以對紡織材料進(jìn)行等離子體表面處理，以改變其化學(xué)組成，增加親水性基團(tuán)，并由此改善其轉(zhuǎn)送水蒸氣和水的性能[21- 22]。

3.4其他紡織技術(shù)

紡織材料結(jié)構(gòu)和性能的多樣化特性為其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的空間，在對纖維、紗線、織物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性的基礎(chǔ)上可以控制醫(yī)用紡織材料對空氣和水的滲透性以及對電、熱、冷、暖的傳遞特性，有效控制醫(yī)用防護(hù)服的透氣性和舒適性能[23]。利用纖維在紡織材料中的取向可制備各向異性流體傳輸特性的產(chǎn)品，在垂直和橫向具有不同的結(jié)構(gòu)和性能，并通過控制織物孔隙度、纖維直徑和取向分布可制備具有特殊性能的醫(yī)用紡織材料。此外，利用刺繡技術(shù)可制備組織工程支架材料，通過負(fù)載輔助記錄和傳輸信號的微電子智能材料可用于醫(yī)療診斷中生物生理信號的轉(zhuǎn)送[24]。

4復(fù)合技術(shù)在紡織材料中的應(yīng)用

復(fù)合技術(shù)涉及兩種及兩種以上具有不同理化性能的材料在纖維、紗線、織物等各個層次上的結(jié)合，可以更好地滿足醫(yī)用衛(wèi)生領(lǐng)域中復(fù)雜的終端需求。例如，含銀抗菌材料與紡織材料復(fù)合后制備的含銀醫(yī)用敷料目前被廣泛應(yīng)用于功能性醫(yī)用敷料的制備[25]，而微尺寸的生物傳感器在與紡織材料結(jié)合后可以跟蹤患者體溫和心臟活動，用于病人的動態(tài)跟蹤。以下是醫(yī)用紡織材料中使用的幾種復(fù)合技術(shù)。

4.1高分子共混

高分子材料的共混包括相容高分子共混、互不相容高分子共混和高分子的混溶等三種狀態(tài)，其中納米技術(shù)的進(jìn)展使共混高分子材料的制備獲得新的發(fā)展動力，傳統(tǒng)高分子材料與納米化粉體在溶液、熔體中共混后可以制備具有全新結(jié)構(gòu)和性能的纖維材料[26]。在醫(yī)用敷料領(lǐng)域，通過水溶性的羧甲基纖維素鈉(CMC)與海藻酸鈉的共混及紡絲成形，可以制備具有很高吸濕性能的海藻酸與CMC共混纖維[27]。表1顯示了海藻酸鹽/CMC共混敷料與純海藻酸鹽敷料的性能比較。由于CMC破壞了海藻酸鹽纖維的結(jié)構(gòu)規(guī)整性，含CMC的共混纖維在與生理鹽水接觸后很容易形成高度膨脹的凝膠結(jié)構(gòu)，由其制備的醫(yī)用敷料的吸濕性比純海藻酸鹽的高30%。

表1海藻酸鹽/CMC共混敷料與純海藻酸鹽敷料的性能比較

項(xiàng) 目海藻酸鹽/CMC共混敷料純海藻酸鹽敷料吸濕性/(g·g-1)20.35+0.7514.27+0.41水中溶脹率/(g·g-1)4.25+0.251.85+0.13生理鹽水中溶脹率/(g·g-1)9.65+1.425.23+0.42

4.2微膠囊

微膠囊可以負(fù)載液體或固體狀態(tài)的活性物質(zhì)，并通過壓力、摩擦、擴(kuò)散、囊壁的解散和生物降解等方式釋放出香料、皮膚軟化劑、殺蟲劑、抗菌藥物等物質(zhì)。在負(fù)載驅(qū)蚊劑、抗螨劑、驅(qū)蟲整理劑等材料后，直徑1～10 μm的微膠囊可以通過多種方式結(jié)合到直徑為5～30 μm的紡織纖維上，其中基于甲醛與尿素或三聚氰胺的微膠囊在醫(yī)用紡織材料中廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)可以把液態(tài)的活性成分與預(yù)聚體混合后制備微膠囊，然后用黏結(jié)劑結(jié)合到紡織材料上[28]。

4.3藥物緩釋

纖維材料為藥物的控制釋放提供了一個理想的載體，特別是靜電紡絲技術(shù)的發(fā)展為載體材料的選擇提供了更大的范圍?？股?、抗癌藥物、蛋白質(zhì)、DNA等活性物質(zhì)可以與各種高分子結(jié)合后加工成纖維材料，應(yīng)用于透皮給藥、醫(yī)用敷料以及其他許多應(yīng)用領(lǐng)域[29-30]。浸軋、竭染等傳統(tǒng)紡織工藝也可以把活性物質(zhì)結(jié)合到紡織材料上。在浸軋工藝中，包埋有活性物質(zhì)的微膠囊與軟化劑、潤濕劑等助劑一起分散在整理浴中，與交聯(lián)劑一起進(jìn)入烘箱，在105～140 ℃下處理1～2 min，使活性成分結(jié)合在紡織材料上。活性成分也可以通過噴涂、印刷、涂層等方法負(fù)載在紡織材料上。

4.4組織工程

通過細(xì)胞生物學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)療技術(shù)的結(jié)合可以在人造支架上培養(yǎng)人造組織后應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，其中天然或合成高分子制備的具有三維結(jié)構(gòu)的紡織材料為人體組織的體外培養(yǎng)提供了合適的環(huán)境[31]。在此領(lǐng)域中，刺繡技術(shù)可以精確控制紡織支架的三維立體結(jié)構(gòu)，具有很高的應(yīng)用價值。由海藻酸鹽纖維制備的機(jī)織、針織、編織及非織造材料具有很好的成膠性能，可以為細(xì)胞的繁殖提供良好的環(huán)境，有利于細(xì)胞與支架的融合。目前組織工程技術(shù)已被用來培養(yǎng)皮膚、血管、骨骼、神經(jīng)和軟骨組織，由靜電紡絲制備的納米纖維具有超細(xì)的直徑，可以更好地模擬人體的細(xì)胞外基質(zhì)，在組織工程中有很高的應(yīng)用價值。圖4顯示了一種組織工程支架的結(jié)構(gòu)。

圖4　組織工程支架的結(jié)構(gòu)示意

4.5人造器官

利用現(xiàn)代生物技術(shù)制備的人工腎可以起到代謝、內(nèi)分泌、免疫等生理功能，以及透析、超濾等基本的理化作用[32-34]。人造腎與血液透析器基本相似，但在毛細(xì)管外空間負(fù)載的活細(xì)胞具有人體特有的生理功能，細(xì)胞可以包埋在凝膠中或固定在高分子微載體上，以避免堵塞中空纖維膜的交換功能。把人類和豬腎細(xì)胞收獲后種植在中空纖維生物反應(yīng)器上可以起到腎的功能，而負(fù)載活的肝細(xì)胞的中空纖維可以制備人工肝，血液中的毒性成分在中空纖維中通過時被包埋的肝細(xì)胞代謝[35-37]。中空纖維生物反應(yīng)器也被應(yīng)用于其他的體外裝置，如人工肺和體外血液氧合器，在體外循環(huán)時為血液補(bǔ)充氧氣。人工胰腺可以被用來輔助糖尿病的治療[38-39]，把胰島、郎格罕氏島結(jié)合在中空纖維膜中后，通過控制膜的結(jié)構(gòu)使其滲透葡萄糖和胰島素，但不滲透免疫球蛋白和淋巴細(xì)胞，由此起到胰腺的功能。

5結(jié)語

作為一種功能多樣、技術(shù)復(fù)雜、應(yīng)用專一的特殊材料，醫(yī)用紡織材料的制備具有很強(qiáng)的個性化特征，涉及對終端需求的科學(xué)研判及對各種材料加工技術(shù)的合理應(yīng)用。高分子、纖維、紡織及材料領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)展為醫(yī)用紡織材料的研究和開發(fā)提供了新的動力，將有效推動紡織新材料及先進(jìn)加工技術(shù)在關(guān)節(jié)置換、人工韌帶和肌腱、傷口敷料、人造血管、心臟瓣膜、組織工程支架、防護(hù)服裝、患者動態(tài)監(jiān)控等醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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The application of advanced technologies in

medical textile materials

QinYimin1,LiKechang2,DengYunlong2,ShenShengbiao2,HaoYuna2ShaoJianhua2

(1. College of Material and Textile Engineering, Jiaxing College;

2. Qingdao Brightmoon Seaweed Group Co., Ltd.)

Abstract:The research progress in the functional modifications of polymer, fiber and textile materials was described, and the processing technologies for the manufacture of medical textile materials and the properties and applications of the resultant products were introduced. By applying chemical, physical and biological modifications to polymer, fiber, fabric, and composite materials, the functional performances of textile materials can be effectively enhanced, and can be used to develop new medical textile materials with high absorbency, antimicrobial, anti-ultraviolet, drug releasing, protection and other functions, which are highly valuable in the fields of biomedical materials and functional medical textiles.

Kaywords: medical textile material, biomedical material, functionalization, modification technology, research progress