針織成形技術(shù)在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用

朱新卯

(福建祥錦實(shí)業(yè)有限公司,福建 福州 350200)

自21世紀(jì)以來,各種全球性的新發(fā)復(fù)燃傳染病及其他公共衛(wèi)生事件頻繁發(fā)生,嚴(yán)重影響了人們的生命安全,使得相關(guān)醫(yī)療用品的需求量急劇增加。醫(yī)用紡織品是醫(yī)療用品的重要組成部分,通常指應(yīng)用于醫(yī)療、防護(hù)、保健及衛(wèi)生用紡織品的總稱。醫(yī)用紡織品是紡織學(xué)與生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科相結(jié)合的一種具有高附加值的產(chǎn)業(yè)用紡織品,通常具有防病毒、防滲透、抗菌等功能。根據(jù)其織物結(jié)構(gòu)的不同,醫(yī)用紡織品可分為非織造、梭織、針織和編織4類產(chǎn)品。與其他紡織技術(shù)相比,針織技術(shù)具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),如工藝流程短、原料適應(yīng)性強(qiáng)、組織結(jié)構(gòu)變化種類多、可生產(chǎn)半成形和全成形的醫(yī)用紡織品。針織技術(shù)中的成形技術(shù)是指通過收放針、改變組織結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)線圈密度等方式形成具有一定形狀結(jié)構(gòu)織物的技術(shù),可用于生產(chǎn)醫(yī)用紡織品中具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)和特殊功能的產(chǎn)品。從針織成形工藝、針織成形設(shè)備及針織成形醫(yī)用紡織品3個(gè)方面對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針織成形技術(shù)在醫(yī)用紡織品的研究及應(yīng)用進(jìn)行總結(jié),并在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上對(duì)針織成形技術(shù)在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 針織成形工藝

醫(yī)用紡織品為達(dá)到更好的治療和防護(hù)效果,往往對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及性能要求較高。成形工藝是針織生產(chǎn)的一個(gè)重要特點(diǎn),可在編織過程中形成具有一定尺寸和形狀的全成形或半成形產(chǎn)品,產(chǎn)品無需或需要少量的裁剪或縫合即可形成所需的醫(yī)用紡織品。針織成形工藝在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域中應(yīng)用較多的工藝包括無縫工藝、移圈工藝、局編工藝和變密度工藝。

1.1 無縫工藝

無縫工藝即無需通過裁剪縫合工序即可生產(chǎn)在側(cè)邊沒有接縫織物的一種針織成形工藝,主要針對(duì)醫(yī)用紡織品領(lǐng)域中對(duì)形狀結(jié)構(gòu)和舒適性能要求較高的一類產(chǎn)品,例如人造血管、血管外支架及醫(yī)用口罩耳帶等無縫管狀類產(chǎn)品。

用于生產(chǎn)醫(yī)用紡織品的無縫工藝的設(shè)備范圍較廣,不僅可在筒狀結(jié)構(gòu)的圓緯機(jī)上實(shí)現(xiàn),也可在經(jīng)編機(jī)和橫機(jī)上完成。圓緯機(jī)分為單面機(jī)和雙面機(jī),單面機(jī)主要用于生產(chǎn)單面緯平針組織的產(chǎn)品,該產(chǎn)品具有彈性好、織物輕薄等特點(diǎn),主要用于包扎傷口的醫(yī)用敷料、牙周補(bǔ)片及心臟瓣膜縫合環(huán)等產(chǎn)品;雙面機(jī)主要用于生產(chǎn)羅紋組織產(chǎn)品,其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)厚實(shí),彈性和延伸效果更佳,產(chǎn)品可用于包扎傷口的醫(yī)用敷料也可用于病人康復(fù)使用的護(hù)膝、護(hù)腕和護(hù)肘等護(hù)具,同時(shí)可以作為增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)與樹脂固化成型關(guān)節(jié)部位的成型夾板等產(chǎn)品。由于圓筒形的結(jié)構(gòu)使得圓緯機(jī)可輕松生產(chǎn)出無縫針織醫(yī)用紡織品,這正是早期采用小口徑高機(jī)號(hào)圓緯機(jī)來生產(chǎn)針織結(jié)構(gòu)人造血管的主要原因之一。然而,由此方法生產(chǎn)的人造血管織物經(jīng)過后續(xù)的致密化整理、波紋化熱定型及清洗等多道工序處理后仍存在卷邊嚴(yán)重、尺寸穩(wěn)定性差等問題,使其使用范圍受限。經(jīng)編無縫工藝可用于雙針床經(jīng)編機(jī)和圓筒形經(jīng)編機(jī)。在雙針床經(jīng)編機(jī)上編織無縫針織產(chǎn)品時(shí),2 個(gè)針床上的織針通過上下運(yùn)動(dòng)分別編織成圈,形成前后2片織物,在織物兩邊或織物內(nèi)部需形成無縫或連接組織時(shí)往往是通過導(dǎo)紗梳櫛在前后針床的織針上共同墊紗以達(dá)到連接和縫合的效果。圓筒形經(jīng)編機(jī)的針筒和導(dǎo)紗梳櫛均為圓環(huán)形,主要用于編織空心無縫管狀織物。利用經(jīng)編無縫工藝生產(chǎn)的針織結(jié)構(gòu)人造血管具有不易卷邊、不易脫散、尺寸穩(wěn)定性好且易于手術(shù)處理和縫合等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)前人造血管中使用較為廣泛的組織結(jié)構(gòu)。

1.2 移圈工藝

移圈工藝是指編織過程中將某一織針上的線圈轉(zhuǎn)移到其他織針上的一種編織工藝。移圈工藝主要應(yīng)用于橫機(jī)上,部分圓緯機(jī)上也有使用。移圈工藝能夠在針織物表面獲得各種不同的孔眼、扭曲、凹凸等效應(yīng),從而增加織物透氣性。該工藝的編織原理可以用來編織成形針織物、改變針織物組織結(jié)構(gòu)使單面織物和雙面織物互相轉(zhuǎn)化。移圈工藝在編織醫(yī)用紡織品過程中使用較多的是收針和放針。收針是指將部分織針上的線圈轉(zhuǎn)移到相鄰織針上使其退出編織工作,從而實(shí)現(xiàn)減少工作針數(shù)、縮減織物寬度的目的。放針與收針的效果相對(duì),是以增加工作針數(shù)及織物寬度為目的,主要是通過在放的織針上掛上其相鄰織針上的舊線圈來實(shí)現(xiàn)放針。由于電腦橫機(jī)的后針床可實(shí)現(xiàn)搖床動(dòng)作,因此橫機(jī)的一次移圈動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)多針移圈,利于生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形產(chǎn)品。

1.3 局編工藝

局編工藝是指在編織過程中,部分織針暫時(shí)退出編織,但退出編織的織針上的線圈既不轉(zhuǎn)移也不脫掉仍保留在鉤針里,在其他織針編織一段時(shí)間后,暫時(shí)退出編織的織針再與其他織針一起共同編織,從而可實(shí)現(xiàn)局部位置凸起或凹陷的具有立體結(jié)構(gòu)的針織產(chǎn)品。局編工藝主要用于圓緯機(jī)和橫機(jī)上,在醫(yī)用紡織品生產(chǎn)過程中,以橫機(jī)的局編工藝使用較多。局編工藝在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域主要應(yīng)用在異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的編織,其中包括醫(yī)用防護(hù)口罩、治療淋巴水腫的五趾襪等形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的三維立體醫(yī)用紡織品。

1.4 變密度工藝

變密度工藝是指在編織過程中動(dòng)態(tài)改變一個(gè)編織橫列的線圈長(zhǎng)度,進(jìn)而改變?cè)摍M列的編織密度。變密度工藝一般在組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行變化時(shí)使用,一方面是通過增加線圈的長(zhǎng)度防止其因線圈轉(zhuǎn)移或拉伸而造成舊線圈的斷裂,另一方面可通過增加或減小線圈長(zhǎng)度來改變織物面密度,進(jìn)而改變織物不同部位的透氣性及延伸性。變密度工藝主要用于生產(chǎn)具有檢測(cè)心率等功效的智能醫(yī)用紡織品以及對(duì)身體部位進(jìn)行加壓處理的壓力服裝等產(chǎn)品。

2 針織成形設(shè)備

目前用于生產(chǎn)醫(yī)用紡織品的針織成形設(shè)備根據(jù)其成形工藝可分為圓緯編成形設(shè)備、橫編成形設(shè)備和經(jīng)編成形設(shè)備。

2.1 圓緯編成形設(shè)備

圓緯編成形設(shè)備主要包括單面和雙面圓緯機(jī)、無縫成形圓緯機(jī)、襪機(jī)等。圓緯編成形設(shè)備主要用于生產(chǎn)無縫筒狀結(jié)構(gòu)的醫(yī)用紡織品。圖1所示為意大利圣東尼公司的雙面無縫內(nèi)衣機(jī),該設(shè)備具有雙向移圈技術(shù),設(shè)備上配有4路移圈系統(tǒng),移圈系統(tǒng)針筒和針盤各1個(gè)電子選針器,能進(jìn)行針筒向針盤或針盤向針筒固定針位的雙向移圈,同時(shí)該設(shè)備采用模塊化的喂紗單元,使每路針筒或針盤獨(dú)立進(jìn)紗,設(shè)計(jì)時(shí)可自由選擇路數(shù),每路均可在同一行中快速實(shí)現(xiàn)變化密度和變色。該設(shè)備主要用于生產(chǎn)醫(yī)用防護(hù)服裝、孕產(chǎn)婦保健服裝及支托服裝等產(chǎn)品。

圖1 雙面無縫內(nèi)衣機(jī)

2.2 橫編成形設(shè)備

橫編成形設(shè)備主要指雙針床和四針床電腦橫機(jī)。電腦橫機(jī)屬于高精度先進(jìn)針織生產(chǎn)設(shè)備,構(gòu)造復(fù)雜,僅零部件就1 500 多種,技術(shù)復(fù)雜程度堪比一輛汽車。四針床電腦橫機(jī)是當(dāng)前最為先進(jìn)的橫編成形設(shè)備,國(guó)際上可生產(chǎn)四針床電腦橫機(jī)的公司中最具代表性的是日本島精公司。日本島精公司生產(chǎn)的四針床電腦橫機(jī)如圖2所示,該設(shè)備配備了當(dāng)前最為先進(jìn)的精準(zhǔn)送紗裝置,即i-DSCS+DTC智能型數(shù)控紗環(huán)系統(tǒng)+能動(dòng)張力控制裝置,如圖3所示。此精準(zhǔn)送紗裝置可精確控制編織過程中的紗線長(zhǎng)度,同時(shí)也可使強(qiáng)力較弱的生物醫(yī)用功能紗線順利完成編織,為制備尺寸精度要求較高的醫(yī)用成形紡織品提供了技術(shù)保障。由于橫編成形設(shè)備的機(jī)號(hào)較小,織物結(jié)構(gòu)較為稀疏,因此產(chǎn)品多用于外用醫(yī)療類紡織品,主要包括各種高彈護(hù)肢體套、矯正繃帶和襪套及壓力服裝等。橫編成形設(shè)備的成形工藝種類最多,在頭部及面部手術(shù)恢復(fù)用面罩、殘肢護(hù)理和加工紡織植入體,尤其是在矯形器領(lǐng)域使用的異形結(jié)構(gòu)醫(yī)用紡織品具有較好的發(fā)展前景。

圖2 本島精公司的四針床電腦橫機(jī)

圖3 日本島精公司的i-DSCS+DTC系統(tǒng)

2.3 經(jīng)編成形設(shè)備

經(jīng)編成形設(shè)備包括雙針床經(jīng)編機(jī)和圓筒形經(jīng)編機(jī),在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域雙針床經(jīng)編機(jī)可用于生產(chǎn)經(jīng)編人造血管、醫(yī)用生物支架、生物共生移植體等可植入性醫(yī)用品和醫(yī)用防護(hù)服、醫(yī)用功能性繃帶、口罩耳帶等非植入性醫(yī)用產(chǎn)品;圓筒形經(jīng)編則主要用于經(jīng)編人造血管。人造血管的內(nèi)徑通常小于6 mm,因此對(duì)經(jīng)編機(jī)的機(jī)號(hào)要求較高,同時(shí)機(jī)號(hào)越高,所生產(chǎn)的人造血管組織結(jié)構(gòu)越密,對(duì)后續(xù)預(yù)粘要求就越低,用于生產(chǎn)經(jīng)編人造血管的雙針床經(jīng)編機(jī)通常采用機(jī)號(hào)為E30和E32的機(jī)型,并需要多把花梳櫛和地梳櫛。圖4所示是HCR16-EX 型人造血管經(jīng)編機(jī),機(jī)號(hào)為E32,擁有12把花梳櫛和4把地梳櫛,可編織內(nèi)徑為3 mm 的兩分叉特征的人造血管。除此之外,可用于生產(chǎn)人造經(jīng)編血管的經(jīng)編機(jī)還包括機(jī)號(hào)為E30的HCR16-EX、機(jī)號(hào)為E30的DR16-EEC/EAC和機(jī)號(hào)為E32的DJ/2EL等機(jī)型。圓筒形經(jīng)編機(jī)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末,主要用于生產(chǎn)水果和土豆的包裝材料。圓筒形經(jīng)編機(jī)織針與梳櫛配制示意圖如圖5所示,編織過程中,整列的舌針在成圈機(jī)件的控制下上升到最高位置,之后圓環(huán)形梳櫛周向擺動(dòng)一個(gè)針距完成針前墊紗,然后在成圈機(jī)件的控制下舌針下降鉤取傾斜的經(jīng)紗,脫圈后形成一個(gè)橫列的經(jīng)編線圈。由于圓環(huán)形梳櫛難以完成針背墊紗運(yùn)動(dòng),因此只能形成開口線圈,組織結(jié)構(gòu)主要為經(jīng)平、經(jīng)絨和經(jīng)斜等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)組織。通過改變圓筒形經(jīng)編機(jī)的筒經(jīng)和織針數(shù)量可生產(chǎn)不同直徑的經(jīng)編人造血管支架。

圖4 HCR16-EX 型人造血管經(jīng)編機(jī)

圖5 圓筒形經(jīng)編機(jī)織針和梳櫛配置示意圖

3 針織成形醫(yī)用紡織品

醫(yī)用紡織品按其制品與人體的關(guān)系分類主要分為醫(yī)用防護(hù)紡織品、外用醫(yī)療紡織品、可植入性醫(yī)療紡織品和外循環(huán)及血處理制品4大類,針織成形技術(shù)在前3類產(chǎn)品中均有較多的應(yīng)用。

3.1 醫(yī)用防護(hù)紡織品

醫(yī)用防護(hù)紡織品的基本要求是防止醫(yī)護(hù)人員在診療和護(hù)理過程中被病毒和病菌感染,同時(shí)還需要具備可有效隔離微生物、顆粒物質(zhì)和流體,使用過程中具有良好的舒適性和耐用性以及一定的抗撕裂和耐磨損性能,具體包括防護(hù)服、防護(hù)口罩、頭套等。利用局編工藝和變密度工藝在電腦橫機(jī)上生產(chǎn)的橫編醫(yī)用防護(hù)用口罩如圖6所示。該醫(yī)用防護(hù)口罩為一體成形口罩,通過局編工藝使得口罩的整體結(jié)構(gòu)具有內(nèi)凹外凸的三維立體效果,編織過程中通過改變不同部位的織物密度來保證該產(chǎn)品與人體臉部的貼合更加緊密,同時(shí)也保證了口罩的舒適性。該口罩的罩體處為中空結(jié)構(gòu),可通過添加抗菌防病毒濾芯來提高口罩的過濾效率。圖7為經(jīng)編可嵌入濾芯的防護(hù)口罩,該口罩是利用經(jīng)編無縫成形技術(shù)在雙針床經(jīng)編機(jī)上生產(chǎn)的一體成形產(chǎn)品,下機(jī)后無需任何縫合處理。經(jīng)編無縫口罩的高度彈性在佩戴過程中可提供舒適的佩戴感,并且可經(jīng)75℃水洗后重復(fù)使用。經(jīng)編機(jī)的編織效率在針織成形設(shè)備中為最高的,在機(jī)號(hào)為E24的RDPJ型經(jīng)編機(jī)上,以500 r/min的機(jī)速生產(chǎn)該口罩,生產(chǎn)效率為400只/h。

圖6 橫編醫(yī)用防護(hù)口罩

圖7 經(jīng)編可嵌入濾芯防護(hù)口罩

3.2 外用醫(yī)療紡織品

外用醫(yī)療紡織品主要包括創(chuàng)傷敷料、矯正繃帶、矯正襪套及壓力服裝等產(chǎn)品。該類醫(yī)療紡織品主要在患者體外使用,需具備較好的透氣性、彈性及舒適性。醫(yī)用創(chuàng)傷敷料可利用單面圓緯機(jī)所生產(chǎn)的緯平針織物來制作,該織物孔隙率較大、彈性好,使用過程中不會(huì)對(duì)傷口產(chǎn)生壓痛感。利用局編工藝在電腦橫機(jī)上生產(chǎn)的用于治療淋巴水腫的針織五趾襪如圖8所示,使用隔趾設(shè)計(jì)不僅提高了服帖感,而且采用變密度工藝對(duì)織物的局部進(jìn)行壓力處理,使得其在治療淋巴水腫等醫(yī)療領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。利用全身掃描儀獲取孕婦的體型輪廓信息并在設(shè)計(jì)系統(tǒng)上處理成有效的數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)通過紙樣展開后在全成形電腦橫機(jī)上利用移圈工藝、局部編織工藝等方法編織合身的腹帶,通過添加智能傳感器可實(shí)現(xiàn)孕婦只要圍著腰帶就能隨時(shí)確認(rèn)胎兒的健康狀態(tài)功能,如圖9所示。圖10為圓緯編無縫內(nèi)衣機(jī)生產(chǎn)的醫(yī)用壓力服,主要用于治療淋巴水腫,預(yù)防和控制燒傷和手術(shù)外傷等術(shù)后疤痕的過度增生。該產(chǎn)品由彈性紗線編織而成,編織過程中需采用移圈工藝及變密度工藝來改變壓力服不同部位的壓力值及透氣性,同時(shí)使該產(chǎn)品在治療使用過程中具備良好的舒適性。

圖8 治療淋巴水腫的針織五趾襪

圖9 針織結(jié)構(gòu)多功能孕婦腹帶

圖10 醫(yī)用壓力服

3.3 可植入性醫(yī)療紡織品

可植入性醫(yī)療紡織品主要包括人造血管、人造氣管、疝修補(bǔ)網(wǎng)、金屬內(nèi)支架等,該類產(chǎn)品具有較好延伸性、柔韌性、可編織性和生物相容性。其纖維材料包括聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯丙交酯(PLGA)等可制成二維或三維結(jié)構(gòu)的生物可降解聚合物。圖11是組織工程的經(jīng)編織物增強(qiáng)型人造血管,該結(jié)構(gòu)中包含管狀經(jīng)編織物、血纖蛋白和細(xì)胞,其中經(jīng)編結(jié)構(gòu)為整個(gè)組織工程提供了必備的機(jī)械穩(wěn)定性,該組織工程相比非纖維織物系統(tǒng)的生長(zhǎng)期更短,從而可實(shí)現(xiàn)快速移植。產(chǎn)品在移植后具有可消除血管壁腫脹的功效,同時(shí),通過選擇合適的組織結(jié)構(gòu)和線圈密度,可使組織工程血管中外來物所占比例減少20%左右。在電腦橫機(jī)上利用變密度工藝編織的一體成形疝修補(bǔ)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示,該產(chǎn)品的下部為密度較小的緯平針組織,有利于組織液及吞噬細(xì)胞順利通過,從而促進(jìn)新生組織順利生長(zhǎng),而上部邊緣區(qū)域?yàn)槊芏容^大的2+2羅紋組織,可有效防止邊緣區(qū)域卷曲現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)此新型疝修補(bǔ)網(wǎng)結(jié)構(gòu)編織過程中也利用局編工藝,實(shí)現(xiàn)了該產(chǎn)品的三維一體成形編織。金屬內(nèi)支架采用鎳鈦形狀記憶合金絲制成,移植到人體管腔狹窄處后可擴(kuò)張成形,為人體管壁提供持續(xù)而均勻的支撐力,從而使人體管腔保持暢通。針織醫(yī)用金屬內(nèi)支架既可在經(jīng)編成形設(shè)備上編織完成,也可在緯編成形設(shè)備上編織完成,2 種成形設(shè)備所生產(chǎn)的針織醫(yī)用金屬內(nèi)支架實(shí)物如圖13所示。2種針織醫(yī)用金屬內(nèi)支架均具有較好縱向柔順性,與人體接觸面積小、同質(zhì)性好,其中經(jīng)編醫(yī)用金屬內(nèi)支架具有更為突出的抗壓縮能力和空間穩(wěn)定性,而緯編醫(yī)用金屬內(nèi)支架脫散性更好,便于生產(chǎn)各種不同長(zhǎng)度的的支架。

圖11 組織工程的經(jīng)編織物增強(qiáng)型人造血管

圖12 橫編一體成形疝修補(bǔ)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖13 針織醫(yī)用金屬內(nèi)支架

4 結(jié)束語

針織成形技術(shù)為紡織學(xué)領(lǐng)域的增材制造技術(shù),為生物醫(yī)療用纖維材料的快速成形提供了便捷,使得具有復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的醫(yī)用紡織品一體成形成為可能。隨著國(guó)家公共衛(wèi)生應(yīng)急管理體系的進(jìn)一步健全,人們健康安全意識(shí)的逐漸增強(qiáng),對(duì)醫(yī)用紡織品的質(zhì)量要求將越來越高,使得針織成形技術(shù)在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域的應(yīng)用中將面臨更多挑戰(zhàn)。針織成形技術(shù)未來的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。

(1)充分發(fā)揮針織成形技術(shù)的短流程生產(chǎn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)相關(guān)醫(yī)用紡織品的高效生產(chǎn);

(2)針對(duì)不同的針織成形設(shè)備研發(fā)適用于細(xì)度小且強(qiáng)力較弱的生物醫(yī)用功能纖維的精準(zhǔn)送紗及紗線張力控制裝置,實(shí)現(xiàn)相關(guān)醫(yī)用紡織品的高品質(zhì)生產(chǎn);

(3)在現(xiàn)有的針織成形設(shè)備基礎(chǔ)上開發(fā)適用于醫(yī)用紡織品生產(chǎn)的軸向針織成形設(shè)備,從而提高醫(yī)用紡織品的機(jī)械性能。