醫(yī)用紡織品的研究進(jìn)展

嚴(yán) 佳， 李 剛

(1. 蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院， 江蘇 蘇州 215123； 2. 蘇州大學(xué) 現(xiàn)代絲綢國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 蘇州 215123)

醫(yī)用紡織品在醫(yī)學(xué)臨床中的應(yīng)用已有60多年的歷史。醫(yī)用紡織品是由天然或合成高分子材料制成的具有纖維狀結(jié)構(gòu)，適用于體內(nèi)或體外生物環(huán)境，以改善病人健康和醫(yī)療狀況為目的的一種醫(yī)療器材。產(chǎn)品類別分為體外治療用制品、移植用制品、人工器官用制品和衛(wèi)生保健醫(yī)用紡織品[1-2]。具體產(chǎn)品有傷口敷料、人造血管、心臟瓣膜、疝氣補(bǔ)片、整形美容假體和基于柔性傳感器的可穿戴材料等[3-4]。

常見(jiàn)的用于制備醫(yī)用紡織品的各種天然材料有絲蛋白、膠原蛋白、殼聚糖和甲殼素等，其中絲蛋白基生物材料(SBBs)在紡織工業(yè)中可以量產(chǎn)，其由于易加工性、可降解性、優(yōu)良的力學(xué)性能和生物相容性而廣受青睞，采用SBBs制備的醫(yī)用紡織品有縫合線、人造血管、心臟瓣膜、疝氣補(bǔ)片、人造韌帶和人造肌腱等產(chǎn)品[5-6]。常見(jiàn)的合成材料如聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)、聚乙交酯(PGA)、聚對(duì)二氧環(huán)己酮(PDO)、聚乙丙交酯(PLGA)，這些材料具有良好的生物相容性和可降解性，廣泛應(yīng)用于縫合線、組織工程和藥物緩釋材料等領(lǐng)域[7]。

近年來(lái)，有關(guān)醫(yī)用紡織品的研究越來(lái)越多。但是，結(jié)合原材料和加工技術(shù)的綜述較少[6]。本文對(duì)醫(yī)用紡織品常見(jiàn)原料進(jìn)行了闡述，介紹了醫(yī)用紡織品的加工與制備方法、種類及應(yīng)用、物理和化學(xué)改性技術(shù)的研究進(jìn)展，分析了醫(yī)用紡織品的未來(lái)發(fā)展需求和趨勢(shì)以及面臨的主要問(wèn)題和機(jī)遇。

1 醫(yī)用紡織品的常見(jiàn)原料

1.1 絲蛋白

蠶絲作為醫(yī)用縫合線已經(jīng)有幾十年的歷史[8]。蠶絲纖維至少由2種絲素蛋白微纖組成，它們嵌在膠狀糖蛋白涂層中，見(jiàn)圖 1(a)[8-9]。絲素蛋白由重鏈絲素蛋白(H-chain)、輕鏈絲素蛋白(L-chain)和P25蛋白質(zhì)組成[8]。其中，L-chain的親水性和彈性優(yōu)于H-chain，P25可保持復(fù)雜結(jié)構(gòu)的完整性。為獲得純凈的絲素蛋白以用于醫(yī)療，收取蠶繭后需通過(guò)精煉提取的方式來(lái)去除絲膠。

圖1 蠶絲與蜘蛛絲纖維的橫截面Fig.1 Cross-section diagrams of silkworm (a) and spider silk(b)

蜘蛛絲擁有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)力和彈性。構(gòu)成蜘蛛絲的2種典型的蛋白質(zhì)為甘氨酸和丙氨酸。在大壺狀絲腺(MA)形成的β折疊使得其具有良好的力學(xué)性能，同時(shí)旋轉(zhuǎn)和螺旋結(jié)構(gòu)為其提供彈性和靈活性，見(jiàn)圖1(b)[8,10]。Allmeling等綜述了蜘蛛絲在紡織、技術(shù)和生物醫(yī)療上面的廣泛應(yīng)用，然而，蜘蛛為食肉性，因此不能被高密度飼養(yǎng)，難以被馴化及商業(yè)化，同時(shí)蜘蛛的產(chǎn)絲水平比蠶低得多[11]。

為了開(kāi)發(fā)出更多的SBBs醫(yī)用紡織品，專家們通過(guò)一些表面改性技術(shù)，包括等離子體處理，表面涂層、化學(xué)接枝等，賦予SBBs醫(yī)用紡織品更好的生物相容性和更多的功能[12-13]，但是，與天然纖維相比，再生絲纖維的力學(xué)性能如拉伸強(qiáng)度、彈性較差，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到了限制。

1.2 膠原蛋白

膠原蛋白廣泛存在于哺乳動(dòng)物的骨、皮膚、肌腱和其他結(jié)締組織中，約占總蛋白的1/3。膠原蛋白大分子內(nèi)含有大量帶電基團(tuán)和多種生物活性肽，能結(jié)合多種因子如纖粘連蛋白(Fn)、白介素-Ⅱ(IL-Ⅱ)等，誘導(dǎo)、調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)。此外，由于膠原具有止血性能和抗氧化特性[14]，可廣泛用于燒傷、眼角膜、硬組織修復(fù)、創(chuàng)面敷料和縫合線等。由于人畜共患病以及宗教信仰的限制，人們開(kāi)始研究海洋膠原蛋白。海洋膠原蛋白的氨基酸組成與陸生哺乳動(dòng)物相似，但熱穩(wěn)定性不足。海洋膠原蛋白可應(yīng)用于醫(yī)用敷料、組織工程、載藥支架和3D打印等[15]。

1.3 聚酯類生物可降解材料

1.3.1 聚乳酸及其共聚物

聚乳酸(PLA)是由LA(丙交酯)開(kāi)環(huán)聚合得到的高分子可降解聚合物。單體乳酸分為L(zhǎng)-乳酸和D-乳酸。其中，L-LA是人體的天然代謝物，對(duì)人體無(wú)毒，而D-LA不能參與身體的新陳代謝，過(guò)量可能會(huì)導(dǎo)致中毒。PLA的降解產(chǎn)物可參與人體的新陳代謝，被廣泛應(yīng)用于藥物控制釋放體系、骨科、組織修復(fù)和縫合線等[2]。然而，PLA親水性差、降解速率較慢、力學(xué)強(qiáng)度較低，常通過(guò)共聚改善PLA的疏水性和結(jié)晶度，改變PLA的分子質(zhì)量和共聚單體種類及配比來(lái)調(diào)控其降解速率。聚乙丙交酯(PLGA)是一種生物相容性良好和可降解的高分子聚合物，其降解速度比均聚物提高10倍左右，通過(guò)改變聚合組分比可有效地調(diào)節(jié)共聚物的降解速率。

1.3.2 聚對(duì)二氧環(huán)己酮

聚對(duì)二氧環(huán)己酮(PDO)化學(xué)式為[—O—(CH2)2—O—CH2—co—]n，與PCL、PLA和PGA相似，分子鏈中的酯鍵賦予其良好的生物相容性、生物可降解性和可吸收性。尤其是PDO分子鏈中的醚鍵使其具有優(yōu)異的柔韌性和抗拉強(qiáng)度，大分子規(guī)整性好，纖維經(jīng)拉伸后具有較高的結(jié)晶度和取向度，因而纖維強(qiáng)度高，因此PDO可作為手術(shù)縫合線、骨科及假體、支架和管道等醫(yī)用紡織品的原材料[16]。

2 醫(yī)用紡織品的加工與制備方法

2.1 非織造

非織造材料是定向或隨機(jī)排列的纖維通過(guò)摩擦、抱合或黏合等方法制成的片狀物、纖網(wǎng)或絮墊(不包括紙張)，因此非織造紡織品具有三維網(wǎng)狀孔洞結(jié)構(gòu)且工藝流程短、生產(chǎn)速度快、原料來(lái)源廣，可被廣泛應(yīng)用于手術(shù)服、敷料、過(guò)濾材料和人造器官等醫(yī)用紡織品。如將殼聚糖、海藻酸鹽或者攜帶抗菌和止痛等功能性因子，通過(guò)水刺、針刺和濕法紡絲制得具有良好力學(xué)性、抗菌性和低成本的醫(yī)用紡織產(chǎn)品。采用水刺、紡粘法、閃蒸法、濕法以及復(fù)合法紡粘/熔噴/紡粘(簡(jiǎn)稱SMS)、紡粘/熔噴/熔噴/紡粘(簡(jiǎn)稱SMMS)等可制備對(duì)微生物、顆粒物質(zhì)和流體具有隔離效果的手術(shù)服和手術(shù)巾。熔噴非織造布由超細(xì)短纖維組成，產(chǎn)品孔隙率高、孔徑小且阻隔性優(yōu)于紡粘與水刺，但力學(xué)性能較差；而紡粘非織造布由連續(xù)長(zhǎng)絲組成，強(qiáng)度高，過(guò)濾性差，將二者結(jié)合制得SMS非織造布有良好的強(qiáng)力、耐靜水壓性能和吸附性，對(duì)0.3 μm微粒子的過(guò)濾效果可達(dá)80%～90%[17]。

2.2 靜電紡絲

靜電紡絲利用高壓電場(chǎng)的牽伸作用將具有一定黏度和導(dǎo)電性的紡絲溶液制備成微納米纖維，制備出仿細(xì)胞外基質(zhì)結(jié)構(gòu)的纖維膜植入生物體內(nèi)或者作為體表敷料[18]。由于靜電紡纖維膜比表面積的增加有利于細(xì)胞的粘附，因此其作為生物材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。靜電紡也被用來(lái)制造蜘蛛絲納米纖維，其優(yōu)點(diǎn)之一是可通過(guò)調(diào)節(jié)絲素蛋白的纖維結(jié)構(gòu)和紡絲濃度。Wang等[19]利用電網(wǎng)絡(luò)紡生產(chǎn)的類蜘蛛網(wǎng)的納米網(wǎng)，其纖維直徑可小于20 nm。

2.3 織 造

醫(yī)用紡織品的常見(jiàn)加工方式包含針織、機(jī)織、編織和非織造4種，其中非織造醫(yī)用紡織品占60%以上，主要是一次性普通醫(yī)用紡織品。針織、機(jī)織和編織結(jié)構(gòu)所占比例較低，主要應(yīng)用于高科技醫(yī)療紡織品，如人造血管、神經(jīng)導(dǎo)管、氣管內(nèi)支架和腸道支架等。

機(jī)織醫(yī)用紡織品結(jié)構(gòu)緊密、厚度薄和力學(xué)性能高。如最早商業(yè)化的人造血管是平紋組織，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且變形小，血滲透率小，適用于血流速度較高的位置以及血管外科急診手術(shù)，但血管剛度大、硬挺和血管順應(yīng)性小，易散邊造成手術(shù)操作困難等問(wèn)題。

針織醫(yī)用紡織品具有一定的孔隙、彈性和延伸性，便于醫(yī)生縫合，因此一定程度上改善了機(jī)織結(jié)構(gòu)醫(yī)用紡織品性能的缺點(diǎn)。緯編針織人造血管與機(jī)織人造血管相比，紗線有更大移動(dòng)性，順應(yīng)性更近于人體血管，但孔隙率高，需進(jìn)行預(yù)凝，且易卷邊，易發(fā)生縱橫向脫絲，彈性恢復(fù)性差。經(jīng)編人造血管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，克服了緯編人造血管卷邊、脫散等缺陷，易于手術(shù)處理和縫合，且順應(yīng)性優(yōu)于機(jī)織[20]。

編織常用于管狀、繩狀和異形截面織物的織造，分為菱形、規(guī)則、赫格利斯和三向編織結(jié)構(gòu)。采用二維編織可將不同材料組合，調(diào)節(jié)編織工藝參數(shù)以及芯棒直徑來(lái)獲得不同結(jié)構(gòu)以及不同內(nèi)徑的支架[21]。編織織物比針織織物表面更光滑、均勻，密度調(diào)節(jié)范圍更廣，且可編織內(nèi)徑小于1 mm的織物，可應(yīng)用于人造血管和輸尿管等小口徑管狀織物。

3 醫(yī)用紡織品的種類和應(yīng)用

醫(yī)用紡織品可應(yīng)用于急救、臨床、保健和衛(wèi)生需要[22-23]。表1列舉了制備植入型醫(yī)用紡織品的絲蛋白基生物材料的應(yīng)用研究。

表1 絲蛋白基生物材料在醫(yī)用紡織品的應(yīng)用研究Tab. 1 Application of silk fibroin-based biomaterials in medical textiles

絲蛋白基生物材料經(jīng)純化提取或物理化學(xué)改性，通過(guò)機(jī)織、針織和編織得到體外治療用制品、移植用制品、人工器官用制品和衛(wèi)生保健醫(yī)用紡織品，例如傷口敷料、縫合線、神經(jīng)導(dǎo)管、人工肌腱、人工韌帶和人造醫(yī)用管道等。

3.1 體外治療用制品

體外治療用制品用于身體外部，如創(chuàng)傷敷料、矯形繃帶、壓力服裝和假肢用的襪子等。以創(chuàng)傷敷料為例，膠原蛋白具有促進(jìn)凝血、促組織細(xì)胞增殖作用，將膠原蛋白制成水凝膠，能得到一種較好的敷料形式和載藥基質(zhì)[22]。經(jīng)過(guò)非織造和靜電紡技術(shù)得到絲素蛋白膜，加入TiO2納米顆粒可用以抑制細(xì)菌[23]。

3.2 移植用制品

移植用制品用于修復(fù)人體創(chuàng)口使之閉合(縫合線)或替換手術(shù)(軟組織的移植、人造血管、造肌腱和人造韌帶)。圖2列舉了用天然或合成材料制備的植入型醫(yī)用紡織品。生物相容性是決定移植用制品在體內(nèi)是否成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。

圖2 使用天然或合成的聚合物制造的植入型醫(yī)用紡織品Fig.2 Implants made by natural or synthetic polymers.(a)Weft-knitting intestinal stent; (b)Woven artificial vessel;(c)Woven artificial chest wall； (d)Nerve guidance conduit;(e)Antibacterial suture; (f)Drug-loading anal fistula plug

3.2.1 縫合線

蠶絲具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、柔韌性和生物相容性，是最早的商業(yè)化醫(yī)用紡織品。根據(jù)美國(guó)和歐洲藥典標(biāo)準(zhǔn)，打結(jié)強(qiáng)度作為測(cè)試創(chuàng)口縫合線的力學(xué)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)之一，是縫合線最重要的性能。再生絲纖維的打結(jié)強(qiáng)度較低，但是其斷裂強(qiáng)度較高。在絲素蛋白中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的聚乙烯醇，可提高纖維的柔韌性和斷裂伸長(zhǎng)率，并且打結(jié)強(qiáng)度比濕法紡絲得到的纖維提高了3倍，因此，該方法得到的絲纖維適合用于傷口縫合[40]。

3.2.2 軟組織人工移植物

3.2.2.1人造皮膚 皮膚是人體的最大器官，對(duì)傳染性病原體和微生物起到了屏障作用。理想情況下，移植體應(yīng)覆蓋并保護(hù)傷口，并且不產(chǎn)生免疫排異反應(yīng)，促進(jìn)愈合，減輕疼痛，最大程度地減少疤痕形成[6]。研究表明，天然蛋白材料能夠促進(jìn)人體角質(zhì)細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的形成，而非織造和靜電紡絲技術(shù)是制作人造皮膚最常用的方式。例如，靜電紡絲蛋白支架(纖維直徑為30～120 nm)，水蒸氣處理的納米纖維基質(zhì)和甲酸交聯(lián)絲蛋白的三維納米支架，已經(jīng)在體外用人口腔角質(zhì)細(xì)胞和成纖維細(xì)胞方面進(jìn)行了研究[41-42]。

3.2.2.2人造神經(jīng)導(dǎo)管 周圍神經(jīng)系統(tǒng)能夠自愈合輕微損傷，但是不能在受到嚴(yán)重?fù)p傷或者長(zhǎng)距離創(chuàng)傷后完成自我修復(fù)。膠原蛋白和絲纖維的使用，為神經(jīng)損傷的新治療方法提供了希望。Allmeling等介紹了由充滿蜘蛛纖維的脫細(xì)胞靜脈移植物構(gòu)成的神經(jīng)結(jié)構(gòu)，能在成年綿羊中引導(dǎo)搭建長(zhǎng)達(dá)6 cm的脛骨神經(jīng)缺損[43]。由非織造或者纖維增強(qiáng)方法制得的神經(jīng)支架，在體外和體內(nèi)表現(xiàn)出良好的生物相容性和適宜的力學(xué)性能[44]。

靜電紡絲已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)支架，包括靜電紡納米纖維、納米絲素膜和紗線。將殼聚糖、聚乳酸-己內(nèi)酯和聚乳酸-糖基乙酸(PLGA)等生物聚合物混合，在其加入膠質(zhì)細(xì)胞神經(jīng)源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和神經(jīng)生長(zhǎng)因子，但在大鼠或者雞禽類動(dòng)物模型中，僅有限的尺寸缺陷(10～13 mm)能夠被成功橋接[45]。

3.2.2.3人造韌帶和肌腱 人造韌帶和肌腱支架工程要求材料具有生物可降解性，足夠的力學(xué)強(qiáng)度、彈性、韌性和結(jié)構(gòu)完整性，并能夠促進(jìn)新韌帶和肌腱組織的再生[46]。例如含有交聯(lián)膠原基質(zhì)的絲纖維和PLGA纖維制備的支架內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生的組織在力學(xué)和組織學(xué)上類似于天然韌帶[47]。Chen等采用針織工藝制備含有人類胚胎干細(xì)胞hESC來(lái)源的間充質(zhì)干細(xì)胞(hESC-MSCs)的絲/膠原海綿支架，利用肌腱特異性轉(zhuǎn)錄因子scleraxis (SCX)構(gòu)建工程肌腱，顯示出促進(jìn)肌腱再生的能力[48]。

3.2.3 骨科植入物

骨科植入物用于硬組織修復(fù)骨骼，也可用于固定板以穩(wěn)定骨折。通常，金屬和硬塑料用于這種植入物，以確保結(jié)構(gòu)的完整性[49]。例如，由13～130 mm不等的鋼絲組成的編織外科纜線用于穩(wěn)定骨折或固定骨科植入物[50]。目前該領(lǐng)域正轉(zhuǎn)向柔性植入物和固定方法。Li等通過(guò)靜電紡絲法制備了含有骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2 (BMP-2)和/或羥基磷灰石納米顆粒(nHAP)的纖維支架，用于人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞體外骨形成。結(jié)果表明，靜電紡絲支架具有良好的骨組織工程應(yīng)用前景[31]。Kim等報(bào)道了一種改良的絲線纏繞法，用于治療晚期牙周炎，其侵入性較低，與以前技術(shù)相比，減少了不必要的干預(yù)。結(jié)果表明，絲線結(jié)扎組牙周牙槽骨在第60天明顯低于其他組，說(shuō)明絲線結(jié)扎誘導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)性牙周炎是治療犬牙周炎的有效方法[32]。

3.2.4 血管植入物

采用機(jī)織技術(shù)制備的肝素功能化血管支架對(duì)人血管平滑肌細(xì)胞(HVSM)具有抑制作用，其抗凝、通暢性提高[51]。對(duì)人造血管進(jìn)行載藥處理可降低體內(nèi)排斥反應(yīng)，降低炎癥等副作用[52]。目前大多數(shù)商用血管移植物和假體由聚酯組成，并使用機(jī)織和針織技術(shù)。Yang等開(kāi)發(fā)了一種由滌綸和絲線混合制成的無(wú)縫管狀支架。結(jié)果表明，聚酯/絲織物具有較好的力學(xué)性能和較好的細(xì)胞相容性，且采用小型織機(jī)在不同的織造條件下可制備不同的動(dòng)脈支架，證明小口徑動(dòng)脈假體的可行性[53]。

3.2.5 消化道支架

人體的消化道分為食管、小腸和大腸?？缮锝到夂洼d藥支架是治療腸道阻塞和狹窄的一種選擇。可生物降解支架的主要優(yōu)點(diǎn)是避免了長(zhǎng)期并發(fā)癥，不需要取出，從而避免了二次手術(shù)和潛在的并發(fā)癥[54]。Ni等報(bào)道了一種治療家兔氣管缺損的復(fù)合支架。結(jié)果表明，新的纖維母細(xì)胞層形成(厚度為240～302 μm)，沒(méi)有明顯的異物肉芽腫或巨噬細(xì)胞滲透[55]。Zang等開(kāi)發(fā)了一種由殼聚糖和絲蛋白組成的支架，其有利于氣管支架上皮組織的形成[50]。

3.3 人工器官

人工器官是具備人體自身器官功能的人造裝置，包括人工腎臟、人工肝臟和機(jī)械肺。這些裝置的功能和性能依靠纖維材料和紡織技術(shù)。表1中列舉了這些裝置的應(yīng)用領(lǐng)域及其原材料。人工腎臟的功能是利用纖維膜與束狀中空纖維或纖維三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行血液循環(huán)。采用不同密度的中空纖維加工成多層針刺織物，可快速有效地去除血液中的毒素。機(jī)械人工肺是利用對(duì)氣體滲透性高而對(duì)液體滲透性低的微孔膜，與自然肺功能相同。人造肝臟可由中空纖維或類似用于人造腎臟的薄膜制成。中空纖維通常由再生纖維素復(fù)合纖維組成。天然蛋白材料具有促進(jìn)肝細(xì)胞黏附和分化的仿生涂層，但關(guān)于以天然材料為基礎(chǔ)的中空纖維用于人造器官的研究卻很少[37]。

3.4 衛(wèi)生保健用紡織品

健康防護(hù)和衛(wèi)生保健型的醫(yī)用紡織品廣泛應(yīng)用于手術(shù)室和醫(yī)院病房、病人和醫(yī)護(hù)人員的護(hù)理和安全。醫(yī)生的長(zhǎng)袍、帽子和口罩、病房的窗簾和各種尺寸的罩布，要求質(zhì)地柔軟、安全無(wú)毒、良好的力學(xué)性能、抗菌等多種功能。

2019年12月一種新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)在中國(guó)湖北省武漢市發(fā)生并局部爆發(fā)，此后全國(guó)各省陸續(xù)出現(xiàn)確診病例，新冠病毒直徑約為0.125 μm，主要通過(guò)飛沫(5 μm左右)、氣溶膠以及接觸傳播，選擇合適的醫(yī)用口罩可有效降低使用者的感染效果。表2示出國(guó)內(nèi)主要用于阻隔病毒的口罩類型以及防護(hù)性能，以確定醫(yī)護(hù)人員及公眾在不同場(chǎng)合配戴口罩類型，以免造成資源分配不合理以及浪費(fèi)現(xiàn)象。

表2 醫(yī)用防護(hù)口罩的類型、防護(hù)指標(biāo)、結(jié)構(gòu)及防護(hù)性能Tab.2 Types, protection indexes, structure and protection performance of medical masks

4 改性技術(shù)

對(duì)于醫(yī)用紡織品來(lái)說(shuō)，與生物體組織和血液接觸的材料表面性能非常重要，包括形貌、親/疏水性和靜電學(xué)等性能，這些性能會(huì)影響血栓形成、抗菌性能和生物相容性。表面改性是對(duì)材料表面進(jìn)行修飾和優(yōu)化的方法，其中包括引入新的官能團(tuán)、增加表面能或潤(rùn)濕性、增加疏水性、改善化學(xué)惰性和表面交聯(lián)等。如絲蛋白可作為醫(yī)用紡織品的生物相容性涂層，改善或抑制細(xì)胞附著、細(xì)胞增殖和抗凝血性能。羥基磷灰石(HA)可包覆在支架外面誘導(dǎo)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化[56]。Gogoi等利用氬等離子體處理纖維表面，以提高其拉伸強(qiáng)度和疏水性[57]。Zhang等利用低溫氮等離子體(LTNP)對(duì)滌綸經(jīng)編織物進(jìn)行表面處理，提高絲素蛋白/殼聚糖微球在織物表面的物理吸附，進(jìn)而優(yōu)化織物的抗靜電和抗菌性能[58]。這些方法都可能增加醫(yī)用紡織材料的生物相容性或多功能性，拓寬其在醫(yī)療臨床中的應(yīng)用。

5 關(guān)鍵問(wèn)題和未來(lái)機(jī)遇

5.1 關(guān)鍵問(wèn)題

5.1.1 生物材料的生物相容性

當(dāng)生物材料植入生物體后，材料會(huì)與血液、組織以及器官相接觸，引發(fā)凝血、溶血、免疫激活、炎癥以及誘發(fā)癌變等。生物相容性貫穿生物材料研究的始終。生物材料的生物相容性主要取決于材料表面的組成、化學(xué)結(jié)構(gòu)和形態(tài)結(jié)構(gòu)[59]。目前主要通過(guò)化學(xué)和生物修飾來(lái)改善醫(yī)用紡織材料的生物相容性，如在材料基體上引入高血液相容性小分子，或通過(guò)在材料表面制備親水性聚合物或親水涂層、固定生物活性分子和形成生物仿生膜等方法進(jìn)行表面改性。此外，還可增加材料的生物功能性和生物智能性，例如在藥物緩釋體系中，通過(guò)引入功能性分子片段，使刺激響應(yīng)聚合物具有兩親性結(jié)構(gòu)，進(jìn)而可感知和響應(yīng)外部環(huán)境發(fā)生結(jié)構(gòu)或形狀改變，實(shí)現(xiàn)靶向釋放和緩釋控釋的效果[60]。

5.1.2 醫(yī)用紡織品的生物力學(xué)穩(wěn)定性

對(duì)于醫(yī)用紡織品的制備加工過(guò)程而言，材料的易加工性、形狀穩(wěn)定性和力學(xué)性能至關(guān)重要。熔融紡絲在工業(yè)上的應(yīng)用最為廣泛，熔融紡絲纖維在物理力學(xué)性能、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本等方面都具有優(yōu)勢(shì)，但紡絲過(guò)程是高溫高壓，而且需要大量的有機(jī)溶劑，不適合天然材料尤其是生物材料的紡絲，因此，需要對(duì)低溫熔絲紡絲新方法進(jìn)行研究。利用濕法紡絲、靜電紡絲、3D打印和微流體技術(shù)將天然材料加工成絲纖維材料，其中采用濕法紡絲較好地制備了微米級(jí)直徑的再生絲纖維，且濕紡纖維通常比靜電紡和微流體纖維具有更高的力學(xué)性能，因此，濕紡纖維更適合于織造、針織和編織生產(chǎn)。天然纖維具有良好的力學(xué)性能，相比而言，大多數(shù)再生纖維力學(xué)性能較差。例如，天然蠶絲纖維的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為0.5～0.6 GPa和10%～40%，而再生絲蛋白纖維膜的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別為0.02 GPa和2%[61]。造成這種差異的原因可能是再生蠶絲材料中缺乏合適的二級(jí)結(jié)構(gòu)，因此，在不破壞結(jié)構(gòu)的前提下，開(kāi)發(fā)合適的安全溶劑非常重要。

醫(yī)用紡織品的尺寸、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能和加工方法很大程度上決定了最終產(chǎn)品的力學(xué)性能。醫(yī)用紡織品的生物力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變和疲勞性能需要通過(guò)不同的模型來(lái)研究，包括結(jié)構(gòu)力學(xué)模型分析，通過(guò)對(duì)支架施加壓力或通過(guò)擴(kuò)大支架內(nèi)的剛性圓柱體來(lái)控制位移實(shí)現(xiàn)支架擴(kuò)張的計(jì)算機(jī)軟件模擬和數(shù)學(xué)計(jì)算。盡管已有大量的相關(guān)研究，但很少將醫(yī)用紡織品結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)與力學(xué)性能的影響關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究[53]。

5.1.3 醫(yī)用紡織品的多功能性

5.1.3.1可控藥物釋放 醫(yī)用紡織品的藥物緩釋性能可以提高載藥效率和作用時(shí)間，減少藥物的毒副作用，提高治病療效[8]。載藥醫(yī)用紡織品推動(dòng)了紡織和制藥技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，有利于開(kāi)發(fā)新的藥物緩釋系統(tǒng)(DDS)。常見(jiàn)的藥物緩釋系統(tǒng)有顆粒、溶液、纖維、薄膜、微球和水凝膠[62-63]。采用靜電紡絲或臨界CO2制備搭載姜黃素的絲蛋白納米纖維，姜黃素的溶解速率和溶解度顯著提高[64]。采用乳化/縮合法制備高負(fù)載量的姜黃素-絲蛋白納米顆粒，與純姜黃素晶體相比，生物利用度有所提高，在藥物緩釋方面具有很大潛力[65]。然而，在提高載藥能力、控制藥物釋放的速率和時(shí)間、調(diào)控載藥纖維的結(jié)構(gòu)(微晶和非晶)以及在紡絲和后加工過(guò)程中如何保持藥物與材料的穩(wěn)定性能等方面，仍然面臨挑戰(zhàn)。材料結(jié)構(gòu)與藥物釋放性能之間的關(guān)系、藥物的釋放機(jī)制以及預(yù)測(cè)藥物釋放的數(shù)學(xué)模型也存在研究難點(diǎn)。

5.1.3.2可控降解性能 人工合成生物材料的降解產(chǎn)物可以通過(guò)代謝途徑被吸收，但是在降解初期可能會(huì)產(chǎn)生酸性副產(chǎn)物，且由于酸性水解而導(dǎo)致力學(xué)性能迅速下降。與人工合成的生物材料——聚乙二醇酯和聚乳酸相比，絲蛋白通過(guò)蛋白酶的作用發(fā)生降解，并在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定的力學(xué)性能。此外，SBBs或重組絲蛋白基生物材料可通過(guò)調(diào)節(jié)絲蛋白結(jié)晶度、孔徑、孔隙度和分子量分布(MWD)使其具有可控和表面介導(dǎo)的生物降解性，且可通過(guò)控制β折疊結(jié)構(gòu)控制絲素蛋白支架的降解率以應(yīng)用到特殊裝置和組織工程里[66-67]。這種可控的緩慢降解和穩(wěn)定的力學(xué)支撐能力對(duì)組織工程材料尤為重要。

5.2 發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn)

人口結(jié)構(gòu)的變化影響著醫(yī)用紡織品的發(fā)展。相對(duì)采用傳統(tǒng)的外科手術(shù)，微創(chuàng)治療方案花費(fèi)更小、康復(fù)更快，越來(lái)越得到患者的認(rèn)可。為了滿足社會(huì)日益增長(zhǎng)的需求，生物醫(yī)學(xué)紡織工程旨在通過(guò)對(duì)醫(yī)用紡織品的巧妙設(shè)計(jì)和智能制造，獲得更加靈活、功能更加齊全和更加智能的器材。

生物醫(yī)用紡織品是醫(yī)療活動(dòng)的必需品。2019年末，全國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)總數(shù)達(dá)100.75萬(wàn)個(gè)，床位880.7萬(wàn)張，入院人數(shù)2.66億人，從業(yè)人員達(dá)1 292.8萬(wàn)人，醫(yī)用紡織品需求大[68]。“十三五”期間，我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生用紡織品將以9%的速度增長(zhǎng)，產(chǎn)量將達(dá)到240萬(wàn)t以上。以人造血管為例：2017年，我國(guó)冠狀動(dòng)脈支架使用量75萬(wàn)套，預(yù)計(jì)2017年后5年，中國(guó)血管支架市場(chǎng)將以20%～30%的速度增長(zhǎng)，將超過(guò)300億美元[69]。根據(jù)工信部下屬機(jī)構(gòu)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示：2019年我國(guó)口罩總產(chǎn)量超過(guò)50億只，口罩行業(yè)產(chǎn)值從2015年的63.18億元增長(zhǎng)至2019年的102.35億元。其中醫(yī)用口罩產(chǎn)值從2015年的32.54億元增長(zhǎng)至2019年的54.91億元，醫(yī)用口罩占比增長(zhǎng)至2019年的53.65%[70]。2020年，隨著全球新型冠狀病毒肺炎疫情的爆發(fā)，口罩和防護(hù)服等醫(yī)用紡織品的產(chǎn)量出現(xiàn)井噴[71]。然而，我國(guó)是醫(yī)用紡織品生產(chǎn)大國(guó)，但高技術(shù)醫(yī)用紡織品依靠進(jìn)口，全球最發(fā)達(dá)的醫(yī)用紡織品市場(chǎng)以歐美國(guó)家為主。因此，我國(guó)高端醫(yī)用紡織品行業(yè)需要加大人才培養(yǎng)、加強(qiáng)基礎(chǔ)研發(fā)力度、扶持重點(diǎn)行業(yè)和重點(diǎn)企業(yè)、制定有利于行業(yè)發(fā)展的激勵(lì)政策和保障機(jī)制，促進(jìn)國(guó)家醫(yī)用紡織產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

材料科學(xué)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了醫(yī)用紡織品、智能紡織品和功能紡織品的開(kāi)發(fā)利用，紡織工業(yè)在生物醫(yī)藥、醫(yī)療保健和健康防護(hù)等領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。天然和人工合成的生物材料正在被廣泛用于醫(yī)用紡織品中，這些材料具有易于加工、可降解性、良好的力學(xué)性能以及生物相容性，使得醫(yī)用紡織品能夠用于體內(nèi)植入、軟組織修復(fù)、醫(yī)療保健和衛(wèi)生等領(lǐng)域。鑒于發(fā)達(dá)國(guó)家紡織品在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用基本已經(jīng)覆蓋整個(gè)外科手術(shù)，但是我國(guó)的一些高端醫(yī)用紡織品如外科用仿生產(chǎn)品的生產(chǎn)相對(duì)落后，進(jìn)口依賴嚴(yán)重。歸根結(jié)底，是由于我國(guó)在生物醫(yī)用紡織材料及制品領(lǐng)域的教學(xué)、科研和人才培養(yǎng)工作尚存在不足，醫(yī)用紡織品的研究涉及多學(xué)科交叉的前沿研究，應(yīng)從原材料、制備方法、后加工、生物學(xué)評(píng)價(jià)以及臨床研究等方面入手，需要生物材料、紡織工程和醫(yī)學(xué)臨床的多學(xué)科人才團(tuán)隊(duì)協(xié)同創(chuàng)新，才能開(kāi)發(fā)出種類更齊全、性能更優(yōu)越和成本更低的醫(yī)用紡織品，為人類的醫(yī)療事業(yè)做貢獻(xiàn)。