生物醫用紡織材料研究應用與進展

馬丕波，梅德軒

(江南大學 紡織科學與工程學院，江蘇 無錫 214122)

生物醫用紡織材料是以生物醫用紡織纖維為原料，采用不同的紡織加工技術、達到健康醫療標準的醫療器材，它具有臨床診斷、治療修復、替代臟器以及保健與防護等功能，在維護人體健康、解除疾患、提高醫療質量方面發揮著重要作用。生物醫用紡織材料[1]融合了紡織、醫學、材料、生物、化學和藥學等多學科技術，科技含量高，創新性強，在我國醫療康復領域中占有舉足輕重的地位，具有巨大的研究潛力和廣闊的應用前景。

1 生物醫用紡織材料制備技術

1.1 生物醫用紡織纖維

生物醫用紡織纖維是生物醫用紡織材料的基礎，對最終產品的性能有著決定性影響。生物醫用紡織纖維分為天然纖維和合成纖維。

天然纖維[2]包括殼聚糖、絲素、膠原等。自然界中甲殼素的資源極其豐富，其含量僅次于纖維素，將甲殼素溶解于適當的溶劑中，利用濕法紡絲進行制備，得到的纖維及其制品具有無毒、抑菌和可生物降解等特點，所得制品已成功應用于繃帶、紗布、創傷敷料等生物醫用紡織品中。海藻酸是從褐藻類植物中提取的一種天然高分子材料，將其溶入堿性溶劑中形成紡絲溶液，然后經過噴絲孔擠入溶液內，凝固后可形成海藻纖維。

合成纖維根據其降解性可分為不可降解纖維和可降解纖維。不可降解纖維包括尼龍、滌綸、錦綸等；可降解纖維包括聚乙交酯(PGA)、聚乙丙交酯(PGLA)、聚乳酸(PLA)、聚對二氧環己酮(PPDO)等。PGA纖維可通過PGA高聚物切片熔融紡絲而成，具有高強、高模特性，但是對熱及酸堿敏感，易于水解，一般情況下降解周期為 6 個月。目前，PGA纖維已成功用于人體組織周圍神經導管、人造血管、手術縫合線和血管內支架等醫用紡織品中。PLA纖維是以PLA為原料，通過擠壓、雙軸拉伸、紡絲等方式成形，具有良好的熱穩定性、生物可降解性和生物相容性，最終降解產物為二氧化碳和水，對環境無任何污染，是理想的綠色資源。PLA纖維在醫療領域的應用十分廣泛，可制備人造骨板、骨釘、支架、手術縫合線等醫用紡織品。

纖維根據細度又可分為常規纖維和超細纖維。其中：常規纖維可以通過熔體紡絲、溶液紡絲、濕法紡絲以及特殊紡絲方法制備；超細纖維可以通過靜電紡絲、自組裝以及相分離等技術制備。隨著紡絲工藝的發展創新，一些特殊紡絲方法也逐步得到發展，如干-濕法紡絲、液晶紡絲、凍膠紡絲等。通過采用不同的紡絲技術[3]，并在紡絲或后處理過程中添加DNA、RNA、蛋白質等生物成分，可以制得不同細度、不同形狀、不同功能的生物醫用紡織纖維。

1.2 紡織成形技術

紡織成形[4]是生物醫用紡織材料加工的關鍵步驟，可將纖維材料制成二維、三維成品。普通紡織品常用的成形制備方法(針織、機織、非織造、編織以及靜電紡)，同樣適用于生物醫用紡織材料的制備，只是后者對成形工藝以及儀器的要求更高。

針織是將紡織纖維通過經編機、圓緯機、橫機等形成線圈結構，再經相互串套而成的一種工藝技術，針織物具有一定的空隙或孔徑、較好的延展性以及彈性。如利用雙針床經編機制備的人工血管有著結構穩定、不易卷邊脫散及順應性好等特點。針織技術[5]可用于制備人造血管、疝氣補片、人工韌帶、金屬內支架、人工氣管、牙周補片、肌腱支架增強體等外科植入用紡織品。

機織是將互相垂直的一組(或多組)經紗與一組(或多組)緯紗在織機上按照一定規律縱橫交織的工藝技術。利用機織技術制備的織物[6]具有良好的結構穩定性，質地緊密，強度較大，可用于大直徑人工血管、紗布、繃帶等需要有一定強度且穩定性較好的醫用紡織品。隨著現代紡織加工技術的發展，一些類似三向織造、立體織造的多軸向技術已突破了機織的傳統定義。

非織造布是以定向或隨機排列而成的纖維為主體，通過摩擦、抱合或黏合的方法制得的片狀或網狀物，其主要架構為纖維網主結構和纖維間的加固結構。由于非織布的原料多樣，可根據需求使其具備不同的特性。非織造布可具備各向同性，也可具備各向異性；可具備導電性，也可具備絕緣性。因此，非織造布[7]的應用十分廣泛，如采用紡黏和熔噴工藝制備復合無紡布，具有比強度高、過濾性好、無黏合劑、無毒性等特性，可用于生產一次性醫用手術服、口罩、繃帶、無菌包裝布等。

靜電紡是一種制造特殊纖維的工藝技術，通過聚合物溶液或熔體在強電場中噴射進行紡絲，利用接收裝置成膜。在電場作用下，針頭處的液滴會由球形變為圓錐形，并從圓錐尖端延展得到纖維細絲，這種方式可以生產出直徑為納米級的聚合物細絲。在醫學領域中，細胞的直徑大于納米纖維的直徑，所以通過靜電紡技術[8]制得的纖維可以模擬天然細胞外基質結構和生物功能；一些用于靜電紡的原料具有很好的生物相容性以及生物可降解性，可作為載體進入人體；同時靜電紡納米纖維具有較大的比表面積以及可控的孔隙率等特性，在藥物緩釋、創傷修復等方面得到很好的應用。

1.3 整理工藝

由于生物醫用紡織材料使用環境的特殊性，對生物醫用紡織纖維或由不同紡織成形方法制得的紡織品進行相關處理，可使生物醫用紡織材料具有更好的功能性。生物醫用紡織材料整理工藝中的功能性整理主要包括滅菌、防熱、阻燃、拒液、親水、防病毒、抗菌、抗靜電、防固態微粒滲透整理等。

對紡織材料進行涂層處理可有效改變其表面性能。如用甲殼胺對非織造布進行后整理，可以使材料負載一層具有生物活性的甲殼胺薄膜，起到抑菌、促進傷口愈合等作用，有效阻止外源微生物的入侵; 利用多孔熱塑性或熱固性薄膜與紡織材料復合可以使之獲得防水、透氣、隔離微生物等功效。如用聚四氟乙烯膜與紡織材料復合，可以把紡織材料的強度、柔順性和膜的耐酸、耐堿、防水等特性有效結合，使其在醫用防護類材料中發揮特殊的應用價值。

通過物理、化學、生物等方法進行改性處理可以改變紡織材料的表面結構，提高其親水、抗菌、低黏等性能。為了提高生物醫用紡織材料的親水性能，可對紡織材料進行等離子體表面處理，改變其化學組成，增加親水性基團，并由此改善其轉送水蒸氣和水的性能。選擇合適的整理工藝，有助于改善和提高生物醫用紡織材料的各項性能，使其得以更精準地應用。

2 生物醫用紡織材料應用

生物醫用紡織材料的最終指向是生物醫用紡織品，根據應用領域[9]可將生物醫用紡織品分為體外用生物醫用紡織品、體內用醫用生物紡織品、人工器官和衛生保健用品。

2.1 體外用生物醫用紡織品

2.1.1傷口保護類 傷口保護類的生物醫用紡織產品主要有脫脂棉、紗布類、敷料類以及膏藥布創可貼等。其作用[10]包括止血清創、促進傷口愈合、抗炎殺菌以及保護受傷部位，避免傷口受到二次損傷。此類產品可通過針織、機織、非織造以及靜電紡等技術進行生產加工。

GUO H W等[11]以殼聚糖、聚氧乙烯醚和聚己內酯為原料，采用同軸靜電紡絲技術，成功制備了一種以殼聚糖/PEO為殼、PCL為核的納米纖維墊，用于傷口止血。由于在外殼(殼聚糖/PEO)中添加用于止痛的鹽酸利多卡因，在核結構中添加抗炎劑姜黃素，這種納米纖維墊可在傷口愈合過程中達到即時鎮痛效果，同時保持長期抗菌活性。

2.1.2繃帶類 繃帶包扎是外傷救治中不可或缺的措施之一，繃帶作為常用的生物醫用紡織品具有重要的作用[12]：①保護受傷部位，避免二次損傷；②止血，預防或減輕水腫；③防止或減輕骨折段錯位；④保溫止痛以及固定醫用敷料等。根據加工方法，可將繃帶分為機織繃帶、針織繃帶、非織造繃帶以及復合繃帶。隨著現代技術的發展，繃帶也向著多功能化方向發展，如可塑性繃帶可以很好地代替石膏，并且具有質地輕、成型快、透氣防水、透X光、環保等優點。

金曉冬[13]采用雙針床拉舍爾經編機，以錦綸和氨綸為原料，開發出一種一次成形的醫用繃帶，具有透氣性好、使用方便、彈性好、防脫散的特點。李書齡等[14]利用玻璃纖維，經過涂覆改性聚氨酯，研制成醫用專用玻璃纖維聚氨酯，用于制備經編醫用繃帶。該醫用繃帶具有舒適安全、硬度高、質量輕、X光透射能力好、防水以及操作簡易的特點。

2.2 體內用生物醫用紡織品

2.2.1修補材料 植入醫用補片是修補人體缺損部位的重要手段，廣泛應用于普外科、胸心外科、口腔科等手術中。典型修補材料有軟組織修補網、可吸收顱內修補網、心包網、血管補片、心臟補片、牙周補片等[15]。作為體內植入物，這些材料應具備以下特性：理化性質穩定，且具有良好的生物相容性；具有一定的物理機械性能；可以任意剪裁等。隨著現代醫學的發展以及患者對醫療需求的提高，體內修補材料朝著長效抗感染、服帖舒適、輕質化及個性化等方向發展。

MAO Y等[16]為了解決傳統聚丙烯引發炎癥以及粘連等問題，以聚丙交酯-乙交酯和聚己內酯為原料，利用靜電紡絲技術制備防粘連纖維膜，將其與藻酸鹽水凝膠以及大孔輕量型PP補片進行一體化復合，構建出防粘連復合型補片。LANZALACO S等[17]將2D聚丙烯補片轉換為4D動態響應系統補片，利用基于溫敏水凝膠的傳感涂層材料增加傳統補片的適應性，可以實現補片的自適應和自固定功能，從而減輕人體因材料剛性產生的疼痛。

2.2.2縫合線 縫合線廣泛應用于各類外科手術中，用于傷口縫合、連接組織以及結扎。根據縫合的生物降解性[18]可將其分為不可吸收縫合線和可吸收縫合線。不可吸收縫合線必須通過手術取出；而可吸收縫合線在組織內可以降解成可溶性物質，通常在2～6個月后自行消失。不可吸收縫合線[19]主要包括以下幾種：蠶絲縫合線，主要應用于普通外科、心血管外科、眼科和神經手術；聚酰胺縫合線,適用于各種手術的縫合、包扎，缺點是持結性差；聚酯縫合線，適用于普通外科、心血管外科、眼科、神經外科等手術，尤其適用于制作人工血管以及大動脈的移植和縫合手術；聚丙烯縫合線，適用于心血管手術以及需要大面積對合的傷口縫合；金屬縫合線，主要用于腹部傷口縫合、疝修補、胸骨對合以及肌腱修補?？晌湛p合線[20]主要有以下幾種:膠原縫合線，適用于五官科、眼科等面部精細手術；甲殼質縫合線，因其對胰液、膽液等堿性消化液有良好的耐受性而用于體內縫合，但強度不高，尤其是勾結強度低；合成高分子可吸收縫合線，包括聚乙交酯(PGA)縫合線、聚乳酸(PLA)縫合線、聚對二氧環己酮(PDS)縫合線等。根據降解時間以及使用部位，將不同材料共聚，如將乙交酯(GA)和乳酸(LA)共聚制成的PGLA縫合線，特別適用于體內傷口的縫合。

GUAN Q F等[21]開發了一種仿生蓮花纖維螺旋結構水凝膠細菌纖維素纖維，即仿生水凝膠纖維。因仿生水凝膠纖維自身的螺旋結構賦予其良好的機械性能，同時水凝膠是一種具有高含水量和生物相容性的材料，可使之具有高強度、高拉伸性、高耗能、高親水性、多孔結構和良好的生物相容性，成為一種理想的外科縫合線材料。由此制成的縫合線具有良好的可拉伸性和能量耗散性，能夠從傷口周圍的組織變形中吸收能量，并有效保護傷口。ZHANG Q等[22]為了消除因手術縫合后縫合線的不良負荷轉移導致肌腱愈合過程中再次撕裂、炎癥感染等問題，通過在多孔帶縫合線上裝飾殼聚糖/明膠-單寧酸(CS/GE-TA)制備了多功能縫合線。該多孔膠帶縫合線具有良好的機械性能以及足夠的組織整合空間。與未添加裝飾材料的縫合線相比，CS/GE-TA裝飾縫合線(TA100)的肌腱拔出力增加了332%，表明再次撕裂率降低；同時，TA100顯示出優越的抗炎和抗菌性能。體內實驗進一步證明，TA100不僅能減輕炎癥反應，而且能促進膠原沉積和血管形成。這種多功能縫合線為肌腱愈合提供了更好的幫助。

2.2.3血管移植物 當血管出現動脈硬化、假性動脈瘤、血栓等無法正常工作時，需通過血管替代物置換、搭橋或介入等外科手術進行治療。通常血管移植物應滿足以下幾個條件[23-24]：①抗血栓性；②具有適當的多孔結構和合理的孔隙率；③具有一定的強度和抗彎折性；④內部具有應力的應變響應性；⑤具有與人體血管良好的貼合性以及縫合的柔軟性。治療時可根據病人的實際需求，選取不同的制備工藝制成血管移植物。

從制造工藝上可將血管移植物分為針織型、機織型和編織型等，制備工藝的不同直接決定其使用情況。對于血流速度較快的部位或個體，如胸主動脈或血液凝血機制損傷的患者，通常使用機織人工血管；然而，機織人工血管剛度較大、易散邊，并且順應性較差，手術不易操作。針織人工血管主要采用經編方法制成，具有尺寸穩定性好，易于手術處理，順應性高的特點，有利于提高植入后的長期通暢性，在一定程度上可以彌補機織人工血管的不足；但是它存在結構緊密度較大、管壁較厚的問題。對于小口徑人工血管，目前是采用整體成型法及非織造技術制備，但是此類小口徑人工血管并未達到成熟生產與應用的要求。

FU J Y等[25]利用靜電紡絲技術，將聚己內酯(PCL)包覆于多孔聚癸二酸甘油酯(PGS)制備合成血管。為了增加細胞的浸潤性，同時便于細胞遷移，采用了大直徑的PCL纖維和多孔結構。此種合成血管具有良好的機械性能以及更高的彈性蛋白、膠原蛋白含量，增加了移植血管重塑的可行性。JUNGST T等[26]提出一種溶液靜電紡絲和熔融近場電直寫兩種技術相結合的混合制造方法，利用該方法成功制備了一種可以模擬人體組織的雙層復合管狀支架(包括內層隨機取向的致密纖維網和外層取向可控的纖維)。此結構可以誘導細胞形成連續的管腔單層內皮細胞和定取向的平滑肌細胞層，從而促進組織細胞特異性分化。實驗結果表明，這種管狀支架可以自行起到誘導細胞生長和分化的作用。

2.2.4心臟瓣膜以及心基修復用導電生物材料 心臟瓣膜[27]主要功能是阻止血液回流，保證血液從心房流向心室(或從心室流向主動脈/肺動脈)。人工心臟瓣膜主要分為機械瓣膜(單葉瓣和雙葉瓣)和生物瓣膜(支架生物瓣膜和無支架生物瓣膜)。鈣化主動脈瓣病是老年人最常見的瓣膜疾病，最常見的治療方案是向患者體內植入支架。STADELMANN K等[28]建立了一種類似于瓣膜細胞外基質形態的三維體外主動脈瓣模型，并模擬了人體主動脈瓣中纖維瓣和海綿瓣的機械和生理行為；在此基礎上利用低溫靜電紡技術設計了一種雙層低溫電紡支架(BCES)。該支架具有一定的形貌，允許瓣膜內皮細胞(VEC)黏附和瓣膜間質細胞(VIC)向支架內生長。此項研究有助于開發瓣膜特異性診斷工具和醫學治療，為心臟疾病的預防和治療提供新方案。

心肌梗死是全球致人死亡的主要疾病之一，治療心肌梗死的關鍵是對受損心肌組織進行有效的重建和功能修復。導電生物材料可用于重建心臟內部電信號傳導以實現心肌修復。LI Y M等[29]通過對纖維/織物采用導電涂層/接枝、導電紡絲等方法，制備具有一定力學性能與耐疲勞性能的導電膜，用于制備心臟修復導電支架。

2.3 人工器官

人工器官是用人工材料和電子技術制備部分或全部替代人體自然器官功能的器件或裝置，用于補償、替代或修復病損的自然器官。人工器官目前屬于體外治療用器官替代物，主要生物醫用紡織品有人工腎(血液透析器)、人工肝、人工肺(氧合器)等。表1列出了生物醫用紡織材料在部分人工器官中的應用。

然而，目前人工器官與人體器官之間仍存在較大差距，如使用壽命較短、與人體有排異反應、功能不夠完善等。隨著對新型材料的開發應用以及對仿生學、生物醫學等領域研究的不斷深入，未來人工器官的研究方向朝著長期或永久替代、體內應用、功能完整化等方向發展。

表1 紡織材料在人工器官中的應用

2.4 衛生保健用品

2.4.1防護用品 近年來，由于新冠疫情的影響，人們對防護用醫用紡織品的要求不斷提高，具有隔離、抗菌功能的紡織品在公共場合作為避免交叉感染的防護品顯得越來越重要。江南大學針織技術教育部工程研究中心[31-32]利用橫編全成形技術，制備了一種3D防護口罩。這種口罩立體效果明顯，貼合人體面部，通過添加濾層起到良好的防護效果；且洗滌后可多次循環使用，清潔環保。

另外，工作中經常接觸病菌的醫療工作者對相關醫用紡織品的需求也非常迫切，特別是突發衛生安全事件時需要大量安全的防護用醫用紡織品。這些防護用醫用紡織品包括外科手術中使用的手術服、手術帽、床單、外科覆蓋布、手術包等，還有防疫用品中的防護口罩、防護服[33]等。

2.4.2襯墊材料 經編間隔織物、氣墊等結構穩定、質量輕、透氣性好、壓縮彈性好，可用作防褥瘡床墊、手術墊和輪椅坐墊等。

吳夢婕等[34]設計了4種具有不同網面組織的醫用經編間隔織物，探究不同結構參數對其透氣性的影響。此外，建立了關于間隔織物的流體模型，可較好重現經編間隔織物透氣性實驗過程，模擬結果與實驗結果相符，模型準確度高，可用性好，可為新型醫用襯墊材料設計和結構優化提供參考，并為3D紡織材料透氣性仿真模擬提供理論支持。

2.4.3壓力紡織品 壓力治療是臨床治療中常用的一項重要技術，通過改變機體的外部壓力，達到促進血管內外物質交換、組織再生、修復，消除水腫、支撐塑形的目的。壓力紡織品[35]包括矯形固定、術后治療、運動護具、支撐塑形等方面的應用。

KUMAR B等[36]使用形狀記憶聚氨酯和尼龍長絲組成的混紡紗設計了一種智能壓力長筒襪，通過外部加熱改變紗線結構中的內應力，從而控制或調節襪子對包裹位置施加的壓力(只需加熱即可產生高達50%的額外壓力)。這種壓力長筒襪可在一定程度上克服傳統壓力襪的局限性，在加壓治療過程中，可根據需要自由調節外部壓力水平。

2.4.4醫用智能紡織品 醫用智能紡織品是結合紡織、電子、化學、生物、醫學等多學科綜合開發的具有高智能化的紡織品，它基于仿生學概念，能夠模擬生命系統，同時具有感知和反映環境變化(如負載、應力、應變等及其變化)雙重功能。醫用智能紡織品具有以下特征：傳感功能[37]、反饋功能、信息識別、自診斷、自修復、自適應能力。醫用智能紡織品大體可以分為兩類：①治療類，如智能繃帶、智能敷料、仿生抗菌光電傳感縫合線、新生兒黃疸或光化性角化病光療織物等產品；②監測類，如汗液監測、糖尿病病人尿糖監測、肌肉血氧監測、呼吸監測等。

WANG L等[38]將多股親水棉纖維和基于碳納米管的傳感纖維混合加捻制備得到芯鞘傳感紗線，并將其刺繡到超疏水織物基底上，開發了一種新型織物電化學汗液傳感器。再把該傳感器與外置芯片等集成制作成智能運動襯衫，用于實時監測用戶在溫和出汗狀態和劇烈運動狀態下汗液的多種化學信息。KALIDASAN V等[39]為了監測體內深部傷口情況，研發了一種無線操作生物電子縫合線。它是利用醫用復絲縫合線，經導電聚合物聚(3,4-乙基二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)(PEDOT:PSS)功能化制成，在保持內層縫合線機械柔韌性的同時兼具無線響應特性，可對深部手術傷口直接監測。

3 結 語

目前，我國生物醫用紡織產業發展有以下特點：①產業規模持續增長，市場需求不斷增加；②研發項目多集中在保健衛生、防護類用品和治療類紡織品等方面；③部分紡織原材料合成難度大、一些關鍵技術無法解決，許多成果仍處于實驗室階段，高端生物醫用紡織品仍然需要進口。

生物醫用紡織材料涉及學科多，其前沿方向是通過整合不同領域的技術，不斷提升低端產品；進一步完善紡織成形技術、更新醫用生產設備等，著力發展中高端產品；以理論構建和臨床應用為目標研發功能更完備、治療對象更廣泛、適應性更精確、療效更精準的新型高端產品。