（纺织工程专业论文）海藻纤维棉交织医用敷料的开发及其性能研究.pdf

毛 、1 ! v，-k 学位论文的主要创新点 一、首次在d r e f 一3 型摩擦纺纱机上开发出了以海藻纤维为主要包覆 纤维、棉纱为芯纱的海藻纤维棉包芯纱摩擦纺包芯纱，这种包芯纱 的结构既能发挥海藻纤维特殊的医用性能，又能利用棉自身吸湿性 较好的特点，保证纱线的织造强力。 二、首次设计并开发出了以海藻纤维棉包芯纱为纬纱的8 枚5 飞纬 面缎纹医用敷料，该敷料的贴皮肤面主要为海藻纤维纬纱，发挥其 特有的医用性能，而另一面主要分布为高吸液能力的棉纱线。经过 测试，该敷料具有良好的吸湿、透气、透湿和贴皮肤舒适性。 摘要 海藻纤维以其优异的高吸湿性、成胶性和生物相容降解性在医用纺织品上 有着广阔的应用前景。目前国内外研究开发出的海藻纤维医用敷料大多数是以 非织造的加工方法制成，但这类敷料在使用过程中的结痂问题、揭除后的凝胶 清理问题及昂贵的价格，使其应用得到了限制，还不能得到普及。针对上述问 题，本文研究开发了一种新型的海藻纤维棉交织医用敷料，本敷料通过选取常 规棉纱( 经纱) 与新开发的摩擦纺海藻纤维棉包芯纱( 纬纱) 交织的方法制成， 可以通过改变纬纱密度和包覆比来控制海藻纤维的用量。相对于非织造布敷料， 本机织物敷料孔眼状的织物结构更有利于伤口渗液的排出，可以防止伤口积液 过多而结痴，并且，当外层的海藻纤维成胶失去强力后，棉经纱和芯纱棉纤维 继续为织物提供强力，便于使用后的揭除和清理。 本文首先分析了海藻纤维的纺纱性能和摩擦纺纱的特点，由于海藻纤维的 强伸度小，可纺性差，不适于在纯棉纺或纯毛纺系统进行纺纱加工，利用摩擦 纺纱机特殊的包芯纱加工方法以及对原料适应性广的特点，在摩擦纺纱机上开 发海藻纤维产品是一种可行的方法。本文则研究开发出了以海藻纤维为主要包 覆纤维、棉纤维为芯纱的摩擦纺包芯纱，并利用正交试验，研究了纺纱速度、摩 擦辊转速以及芯纱比例对纱线性能的影响，优选出海藻纤维摩擦包芯纱的纺纱 工艺范围。 在成功开发出海藻纤维棉包芯纱后，本文采用机织物的加工方法设计和生 产出了新型医用敷料试样。为了研究织物基本组织参数变化对敷料性能的影响， 本实验试样采用平纹、缎纹两种组织织造，通过不同纬密和不同纬纱芯比的配 置，寻求对敷料性能影响的规律。同时，本文还对实验试样的理化性能进行了 测试，包括平方米克重、体积重量、紧度、吸湿性、透湿性和透气性等，详细 分析了纬纱密度、纬纱芯比和组织结构这三个因素变化对试样性能的影响规律， 并得出最佳工艺参数。结果表明，缎纹组织的吸湿性、透气性和贴皮肤舒适性 均优于于平纹组织，当试样采用8 枚5 飞纬面缎纹组织织造，纬纱密度取1 2 0 ( 根l o c m ) 、纬纱芯比取5 0 时( 缎纹4 号试样) ，敷料性能最佳。并且，纬面 缎纹组织贴皮肤面为海藻纤维纱线的双面结构，即发挥了海藻纤维特有的性质， 又减少了海藻纤维用量。本新型敷料设计思路可行，实现了降低成本、满足医 用性能的设计目的。 关键词：海藻纤维；医用敷料；机织物；摩擦纺纱；包芯纱；性能指标 a b s t r a c t h a v i n gh i g hh y g r o s c o p i c i t y , g e lf o r m i n gp r o p e r t ya n db i o d e g r a d a b i l i t y , t h e a l g i n a t ef i b r ec a nb ew i d e l yu s e di nm e d i c a lt e x t i l e s m o s to ft h ea l g i n a t ew o u n d d r e s s i n g sa r em a d ei n t h ef o r mo fan o n w o v e nf a b r i cf o rf i a tw o u n d s ，b u ti n p r a c t i s e ，t h ea l g i n a t ef i b r e sg e lw h e nh a v i n ga b s o r b e db o d ye x u d a t em a k e si td i f f i c u l t t or e m o v ef r o mw o u n d s ，t h ei n c r u s t a t i o np r o b l e ma n dh i g h p r i c el i m i t e d t h e d r e s s i n gu s i n gf o rw i d e rf i e l da sw e l l i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m sa b o v e ，n e wt y p e a l g i n a t e c o t t o nm e d i c a lw o u n dd r e s s i n gw a sd e s i g n e db yi n t e r w e a v i n go fw e f ta n d w a r p ，t h ed e s i g n e dw o u n dd r e s s i n gc h o o s ec o t t o ny a ma sw a r p ，n e wd e v e l o p e d a l g i n a t ec o r e s p u ny a ma sw e f t ，t h ea m o u n to fa l g i n a t ec a nb ec o n t r o l l e db y c h a n g i n gt h ed e n s i t y a n dc o r e y a r np e r c e n t a g eo fa l g i n a t ey a m ( w e f ty a m ) c o m p a r e dw i t hn o n w o v e na l g i n a t ew o u n dd r e s s i n g s ，t h en e ww o v e nf a b r i cc a nd r a i n a w a yw o u n d e x t r a v a s a t ee a s i l y , a v i o df o r m i n gc r u s t w h e nt h ed r e s s i n g sa r cw e t t e d ， t h er e i n f o r c e dw o u n dd r e s s i n g sw i l la c ta sab o n es t r u c t u r et ot h ed r e s s i n g st o f a c i l i t a t eac o m p l e t ea n dc l e a nr e m o v a l s p i n n a b i l i t yo fa l g i n a t ef i b e r sa n df r i c t i o ns p i n n i n gw a sa n a l y z e d ，a l g i n a t ef i b r e i sd i f f i c u l tt os p i no nt h et r a d i t i o n a lr i n gs p i n n i n gm a c h i n ef o ri t sl o ws t r e n g t ha n d e l o n g a t i o n ，a n df r i c t i o ns p i n n i n gs y s t e ma r es u i t a b l ea p p l i c a t i o n sf o rp o o rr a w m a t e r i a la n dp r o d u c t i o no fc o r e - s p u ny a m s ，t h e s ef e a t u r e sm a k ei tf i tf o rs p i n n i n g a 1 g i n a t ey a m f r i c t i o nc o r e s p u ny a r nw h i c ht o o ka l g i n a t ef i b e r sa sm a i nw r a p p e d f i b e r sa n dc o t t o ny a r na sc o r ey a r nw e r ed e v e l o p e do nd r e f - 3f r i c t i o ns p i n n i n g m a c h i n e i n f l u e n c eo ny a mp e r f o r m a n c eo fs p i n n i n gs p e e d ，f r i c t i o nr o l l e rs p e e da n d c o r ey a mp e r c e n t a g ew a sr e s e a r c h e db ym e a n so fo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，a n d s p i n n i n gt e c h n o l o g yr a n g eo fa l g i n a t ef i b e rf r i c t i o nc o r e s p u ny a mw a sa l s o o p t i m i z e d f r o mt h ea l g i n a t ec o r e - s p u ny a m ss u c c e s s f u l l yp r o d u c e d ，d i f f e r e n tt y p e so f f a b r i c sh a v eb e e ng e n e r a t e df o rw o u n dd r e s s i n ga p p l i c a t i o n sb yw e a v i n gt e c h n i c s t h ec h a n g ei nf a b r i cp a r a m e t e r s p l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti ni n f l u e n c i n gt h e a p p l i c a t i o np e r f o r m a n c eo ft h ef a b r i c s i no r d e rt of i n dt h el a w s ，t h es a m p l e sw i t h d i f f e r e n tw e f td e n s i t y , c o r ey a r np e r c e n t a g ea n dw e a v es t r u c t u r ew e r ed e v e l o p e d 功e p h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e s o f t h e s a m p l e i s t e s t e d i n c l u d i n g w e i g h t ( g m 气v o l u m e t r i cw e i g h t ，f a b r i ct i g h t n e s s ，h y g r o s c o p i c i t y , m o i s t u r ea n da i r p e r m e a b i l i t y t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es a t i nw e a v es a m p l eh a sb e t t e r h y g r o s c o p i c i t y , b e t t e ra i rp e r m e a b i l i t ya n dc o m f o r t a b l es e n s a t i o nt h a nt h a to fp l a i n w e a v es a m p l e t h en e wt y p e a l g i n a t e c o t t o n w o u n d d r e s s i n g h a s o p t i m u m p e r f o r m a n c ew h e nc h o o s et h e s a t i nn o 4s a m p l e ，w h i c hw i t hw e f ts a t i nw e a v e ，12 0 w e f td e n s i t y , 5 0 c o r ey a r np e r c e n t a g e m o r e o v e r , t h es u r f a c et h a tf a c e ss k i ni s a l g i n a t ey a r n ，w h i c he x e r t si t ss p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c ，a n dt h ec o n t e n to fa l g i n a t ei s r e d u c e d t h en e wd e s i g n e dw o u n dd r e s s i n gh a sr e a s o n a b l er o u t ea n dr e a l i z et h e d e s i g na i mo fc o s tr e d u c i n ga n dm e d i c a lp r o p e r t i e sd e m a n d s k e yw o r d s ：a l g i n a t ef i b r e ；w o u n dd r e s s i n g ；w o v e nf a b r i c ；f r i c t i o ns p i n n i n g ；c o r e s p u n y a r n ；p e r f o r m a n c e i n d e x 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本论文要解决的主要问题和研究的主要内容3 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用5 2 1 海藻纤维的结构5 2 2 海藻纤维的制造6 2 3 海藻纤维的性能7 2 3 1 物理性能7 2 3 2 特殊医用性能8 2 4 海藻纤维在医用敷料上的应用。8 2 5 小结1 1 第三章摩擦纺海藻纤维棉包芯纱的纺制及工艺研究13 3 1d r e f 3 型摩擦纺纱机的结构与工艺原理1 3 3 1 1 摩擦纺纱的发展1 3 3 1 2d r e f 3 型摩擦纺纱机的结构和原理一1 4 3 1 3d r e f 3 型摩擦纺纱的工艺计算1 5 3 1 4d r e f 3 摩擦纺纱的特点。1 6 3 2 摩擦纺成纱结构分析1 7 3 2 1 纤维在纱体中的排列形态1 7 3 2 2 成纱的分层结构分析1 8 3 3 摩擦纺海藻纤维棉包芯纱纺纱工艺试验1 9 3 3 1 可纺性分析1 9 3 3 2 海藻纤维棉包芯纱纺纱工艺及试验设计2 0 3 3 3 小结2 8 第四章海藻纤维棉交织医用敷料的设计和织造2 9 4 1 实验方案设计2 9 4 1 1 方案设计思路2 9 4 1 2 选用棉纱的原因2 9 4 1 3 织物规格设计3 0 4 2 上机工艺参数设计31 4 2 1 筘号的确定3 1 4 2 2 布边设计3 2 4 2 3 织物上机图3 2 4 3 上机织造3 3 4 3 1 织前准备3 3 4 3 2 小样试织3 3 4 3 3 织造3 3 第五章海藻纤维棉交织医用敷料的性能测试与分析3 5 5 1 敷料的规格测试3 5 5 1 1 织物厚度实验3 5 5 1 2 平方米克重试验3 6 5 1 3 织物体积重量试验3 7 5 1 4 机织物紧度的计算3 8 5 2 敷料的吸湿性、透湿性和透气性测试4 l 5 2 1 测试内容与方法。4 1 5 2 2 试验结果与分析4 2 5 3 小结4 6 第六章结论4 7 6 1 论文的研究结论4 7 6 2 论文研究的不足之处4 8 6 3 后续研究的方向4 8 参考文献4 9 研究生期间发表的论文。5 3 j l 殳谢5 5 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 第一章绪论 随着科学技术的发展，不可再生资源变得日趋紧张，再加上生产中的高消 耗、高污染等问题，回归自然、保护环境愈来愈凝入纺织品的开发和生产中。 当前，在纺织品的开发中，使用最多的纺织纤维是天然纤维、再生纤维和合成 纤维。其中，合成纤维主要原料是石油，属于不可再生资源，随着石油资源的日趋 紧张，合成纤维的生产面临很大的压力，因此各国都在研究开发利用其他纤维来 替代合成纤维的课题，而目前能够代替合成纤维的最理想纤维就是生物可降解 纤维。生物可降解纤维是指在自然界微生物如细菌、霉菌和藻类的作用下，可完 全分解为低分子化合物的纤维材料。生物可降解纤维是对环境友好的材料，它为 人类减少环境负担，在现代文明和自然界之间达到平衡提供了一种方法，因此它 将成为2 1 世纪的主要应用纤维之一n 1 。 与此同时，随着人们生活水平的不断提高和医疗事业的迅速发展，人们对新 型医疗材料的需求同益迫切。据统计，世界医疗保健用纺织品的市场约为7 5 0 亿美元，北美占3 3 左右，欧洲市场约占3 0 ；外部医用纺织品如用于创伤处理 的纺织品约为5 0 亿美元，北美、欧洲各占3 5 ，年增长率为6 - - 一8 ，其中，高 性能创伤处理纺织品的年增长率有望达到1 0 - - - 1 2 ，生物医用制品增速则高达 2 5 - - , 3 0 瞳1 。重要的是，纺织技术的日趋完善，特别是新型纺织材料的不断涌现 及纺织机械的迅猛发展，为生产高效、安全、实用、经济的医用纺织品提供了契 机。这些功能性纺织品的开发及应用又拓展了纺织品的应用领域，是纺织品深加 工、精加工、提高附加值的重要方面和途径。 由于医疗保健性纺织品的原料倾向于可支撑性、再生性及重复实用性，因 此各国都在努力开发具有这些多重性能的纤维新原料，其中海藻纤维、甲壳素 纤维、胶原蛋白纤维等具有应用于医疗保健性纺织品的特殊性能，并且兼具特 有的生物相容和生物可降解性，是目前最有开发和应用前景的的三种原材料3 。 海藻纤维有着优异的高吸湿性、成胶性和生物相容降解性，由海藻纤维制 成的医用敷料吸湿性高，止血性能好，并能在潮湿的伤口表面形成一层水凝胶， 这层水凝胶体可为伤口的愈合提供一个湿润的环境，从而具有独特的伤口保护 性能h 。并且，海藻纤维的原料海藻酸钠是海洋中所蕴藏的最丰富的资源之一。 利用我国海岸线广阔，海洋生物资源丰富，纺织技术力量雄厚的优势，积极开 天津t 业大学硕士学位论文 发海藻纤维医用敷料，满足社会对高性能的新型医用敷料不断增长的需求，扩 大海藻纤维这种可降解的环保生物材料在医疗上的应用范围，以其优良的性能 去取代传统的治伤材料，具有重要的科研和商业价值。 1 2 国内外研究现状 海藻酸纤维的开发与研究已有了很长的历史。1 9 4 4 年，s p e a k m a n 和 c h a m b e r l a i n 睛1 就对海藻酸纤维的生产工艺作了详细的报道，制得了和粘胶纤 维性能相似的纤维。1 9 5 0 年后，纺织行业曾把海藻酸纤维应用在袜子和室内装 饰材料之中。在这些应用中，海藻酸纤维发挥了它在稀碱中的溶解性能和良好 的阻燃性能( 海藻酸钙纤维含有大量的金属离子，能有效地阻止纤维的燃烧) 。 海藻酸纤维在医用敷料上的应用起源于“湿法疗法 的发明。在1 9 6 2 年， 英国人w i n t e r 1 发现，当处在一种潮湿的环境下，伤口的表面愈合比在干燥的 情况下要快。潮湿的环境加快了表皮细胞从健康的皮肤向伤口的涌移，从而加 快了伤口的愈合速度，许多类“湿法疗法”产品就是依照这个原理而产生的。 由于“湿润疗法 的出现，使得海藻酸盐纤维在医用敷料行业得到了广泛的应 用。1 9 8 0 年以来，英国的医用敷料行业首先在世界上推广由海藻酸盐纤维制成 的医用敷料盯1 ，2 0 世纪8 0 年代初，英国c o u r t a u l d s 公司把海藻酸纤维作为一种 医用敷料引入“湿法疗法 市场，应用于流血流脓较多的伤口上。以后，英国 c o n v a t e c 公司又开发出海藻酸钙钠纤维，此产品在生产过程中引入钠离子，所以 产品在未经离子交换之前已有比较高的吸湿性。英国的a d v a n e e dm e d i e a l s o l u t i o n s 公司在2 0 世纪9 0 年代发明了一系列以海藻酸纤维为主体的新型医 用敷料，他们在海藻酸中混入了梭甲基纤维素钠、维生素、芦荟等许多对伤口 愈合有益的材料，从而进一步改善了产品的性能。 海藻酸纤维的一个优异性能是它能在跟脓血接触后形成胶体。应用在医用 敷料上的纤维一般是海藻酸的钙盐，在与伤口上的脓血接触后，人体中的钠离 子跟纤维上的钙离子发生离子交换，当越来越多的钠离子进入纤维之后，纤维 本身慢慢地由不溶水的海藻酸钙转换成水溶的海藻酸钠，大量的水分进入纤维 而使纤维形成胶体哺1 。对于海藻酸医用敷料，在水分进入纤维形成胶体之后， 伤口上的敷料可以形成一层潮湿的水凝胶，从而给伤口提供一个潮湿的复愈环 境呻1 训。而且海藻酸盐本身还具有促进愈合和止血的功能，许多临床试验己经证 明由海藻酸纤维制成的医用敷料不但有良好的吸湿性，而且比其他传统的纱布 更能促进伤口的复愈旧1 。 2 0 0 0 年8 月美国食品与药品管理局( f d a ) 在新颁布创面医疗用品( 外用药和 第一章绪论 敷料) 的行业指南特别强调，保持创面的湿润环境是标准的处理方法。最近几年， 国外出现了海藻酸盐医用敷料研究与开发的高潮，出现许多关于海藻酸盐纤维 的专利n 1 1 3 1 。国内方面也出现了相应的研发和产品，但相对较少，其中，冯鸿诚 n 钔制备了一种用于快速吸收、止血且不粘连创面的海藻酸钙医用敷贴，该敷贴依 次由防护纸、针刺网状海藻酸钙非织造布和普通非织造布组成，此海藻酸钙敷 贴使用方便，贴敷舒适，透气性好，创口愈合快，并且不粘连创面。孙玉山口5 3 等用 海藻酸钠为原料配成纺丝原液，采用含凝固剂氯化钙的水溶液为凝固系统，在常 规纺丝机上纺丝成形，在空气介质中牵伸，得海藻酸盐纤维，经干燥、切断、梳理、 铺网、针刺工艺制成可吸收、止血的医用非织造布敷料，该敷料工艺简单，生产 成本低，止血快速，吸收性高。 除此之外，海藻酸盐还可以和明胶、胶原、壳聚糖等高分子复合制备出海 藻酸钠复合纤维，利用这些纤维通过非织加工制备出性能更优异的共混敷料n6 j 。 1 3 本论文要解决的主要问题和研究的主要内容 目前，国内外研究开发出的海藻纤维医用敷料大多数是以非织造的加工方 法制成n 卜1 6 1 ，而对海藻纤维纱线和机织物的研究和开发还处于起步阶段。这主 要是由于海藻纤维的强度和伸长率都较小，纤维的模量较高，刚性大，抱合力差， 并且纤维的物理性能受含水量影响较大，可纺性较差n8 1 9 】。 海藻酸是由1 3 一d 一甘露糖醛酸( 简称m ) 和q - l - 古罗糖醛酸( 简称g ) 两种组 分构成，纤维中g 、m 的比例不同其成胶性能也不同。商业上的非织造海藻纤维 医用敷料主要分为高g 和高m 型，含g 高的海藻纤维成胶性能好，可形成强而 且硬的胶体，而含m 高的则较难形成胶体，并且形成的胶体柔软脆弱啪1 。在实 际的应用中，如果伤口中没有足够的渗液使藻酸钙全部转换，则伤口表面会形成 硬痂，更换敷料时就可能导致伤口的再损伤瞳；而当伤口渗出液过多时，特别对 于高m 型敷料，其形成的凝胶通常是分散的并且失去了织物原有的强力和形状， 使用后需用过量的生理盐水反复冲洗来去除这层凝胶，易造成二次伤害，不利 于伤口的治愈瞳2 i 。上述海藻纤维敷料在使用过程中产生的问题及海藻纤维昂贵 的价格( 3 5 - 4 0 力元t ) 使其应用范围未能得到普及。 由于目前的海藻纤维非织造敷料对伤口的渗液主要起吸收作用，而不能起 引流作用。如果设计成孔眼状，那么对一些渗液较多的伤口，孔眼可起到引流 作用，将渗液传导到包扎伤口的绷带上或纱布块上，这样可以防止伤口积液过 多而结痴：而且，由于孔眼的存在，还可以使伤口得到充足的氧分，很好的“呼 吸 ，避免产生难闻的气味。并且，在采用了包芯纱结构的情况下，当外层的海 天津工业大学硕士学位论文 藻纤维成胶失去强力后，芯纱棉纤维继续为织物提供强力，在湿凝胶中保 持织物的网状结构，更便于敷料使用后的揭除和清理。 本文将首先对海藻纤维的可纺性进行分析，开发出一种以海藻纤维为主要 包覆纤维、棉纱为芯纱的摩擦纺包芯纱，利用正交试验方法研究纺纱速度、摩擦 辊转速以及芯纱比例对纱线性能的影响，并给出摩擦纺海藻纤维包芯纱的最优 纺纱工艺。 在成功开发出摩擦纺海藻纤维棉包芯纱后，本文将用机织物的加工方法设 计和生产出新型的海藻纤维棉交织医用敷料试样。这种敷料试样通过选取常规 棉纱( 经纱) 与新开发的海藻纤维棉包芯纱( 纬纱) 交织的方法制成，采用平 纹组织、纬面缎纹组织织造，可以通过改变纬纱的密度和芯纱比来控制海藻纤 维的用量。并且本文将对所设计敷料试样的基本规格参数和吸湿性、透湿性和 透气性进行测试和对比分析，以便得出最佳工艺参数。 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用 2 1 海藻纤维的结构 世界海洋中估计有2 5 0 0 0 多种海藻，按颜色可粗分为红藻、褐藻、绿藻和蓝 藻四大类。海藻纤维的原材料来自天然海藻中所提取的海藻多糖，海藻多糖主要 是指红藻和褐藻中含量较高的多糖类指代物，其有机多糖部分由1 3 d 甘露糖醛 酸( 1 3 d m a n n u r o n i c a c i d ，简称m ) 和q l - 古罗糖醛酸( q l g u l u r o n i c a c i d ，简称g ) 两种组分构成( 见图2 1 ) ，m 是g 在c 5 位的立方异构体。科学家们经过细致和 深入的研究工作，明确了海藻酸分子中这两个组分是多聚甘露糖醛酸( m ) n 和多 聚古罗糖醛酸( g ) n 以不规则的排列顺序分布于分子链中，两者中间以交替m g 或 多聚交替( m g ) n 相连接乜4 1 。 由于海藻酸是由二种单体g 和m 组成的共聚物，它的分子链上有三种基本 的链段，即g g 、g m 和m m ，含g g 高的海藻酸成胶性能好，可形成强而且硬 的胶体，而含m m 高的海藻酸则较难形成胶体，并且形成的胶体柔软脆弱。在 同一根海藻上，根部提取的海藻酸含有较高的g 和g g ，而叶子上的海藻酸则 含有较多的m 和m m ，平静的海洋可以给海带提供一个稳定的生长环境，海带 结构较硬，所提取的海藻酸多为高g 型，而在海风大的海岸线上，海带的结构 一般比较柔软，所以可生产高m 型的海藻酸单价金属离子形成的海藻酸盐一般 是水溶性的。而双价或多价金属离子一般都可使海藻酸沉淀而形成胶体h 1 。在 食品、医药等行业上开发应用的海藻酸原料一般都以水溶性的海藻酸钠形式供 应，而成胶一般通过加入不同种类的钙盐取得。 c 0 0 。 甘缀糖醛黢( m )古罗镛醛酸( g ) 天津丁业人学硕+ 学位论文 6 一g 图2 - 1 海藻酸的化学结构 目前，在可用作制备海藻纤维的原料中，最常用的是可溶性钠盐粉末，即海 藻酸钠。先用稀酸处理海藻使不溶性海藻酸盐转变成海藻酸，然后加碱加热提取， 生成可溶性的钠盐溶出，过滤后，加钙盐生成海藻酸钙沉淀，该沉淀经酸液处理 转变成不溶性海藻酸，脱水后加碱转变成钠盐，烘干后即为海藻酸钠。 海藻酸钠很容易与某些二价阳离子键合形成水凝胶，它是典型的离子交联 水凝胶。在海藻酸钠水溶液中加入c u 2 + 、z n 2 + 、c a 2 + 、s r 2 + 、b a 2 + 等阳离子后，g 单 元上的n a + 与二价金属离子发生离子交换反应，g 单元与c a 2 + 形成蛋盒( e g g - b o x ) 结构，g 基团堆积而形成交联网络结构，从而转变成水凝胶纤维而析出。作 为医用材料使用时通常选用c a 2 + 作为海藻酸的离子交联剂。 图2 - 2g 单元与c a 2 + 形成的蛋盒结构 图2 - 3g 单元与c a 2 + 形成的蛋盒结构的大分子片段 2 2 海藻纤维的制造 在人造纤维开发的初始阶段，海藻酸纤维曾和粘胶纤维一样被看作为一种 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用 商业用纤维。但是，比起粘胶纤维，海藻酸的原料来源少，且纤维由于含有较 多的金属离子而比较脆弱，所以海藻酸纤维的早期应用只停留在诸如袜子连结 线等特殊应用上。由于海藻酸钠很容易溶解于水中，生产过程中可通过把水溶 性的海藻酸钠离子交换成不溶于水的海藻酸钙而形成丝条。s p e a k m a n 和 c h a m b e r l a i n 制备海藻酸钙的大致过程为：把海藻酸钠溶解于水，然后通过喷丝 孔挤入氯化钙的水溶液而形成丝条，经过拉伸、水洗等工序而形成长丝喳1 。 经过近些年的发展，形成了比较成熟的湿法纺丝制造海藻酸纤维技术。制 备过程主要为：将可溶性海藻酸盐( 铵盐、钠盐、钾盐) 溶于水中形成粘稠溶液， 脱泡过滤后通过喷丝孔挤出到含有高价金属离子( 镁离子除外，一般为钙离子) 的凝固浴中，形成固态海藻酸钙纤维长丝。该长丝经过拉伸、水洗、干燥、卷曲 形成纤维心们。其工艺流程如图2 4 所示。 幡l ?劈 il l 溶解釜；2 过滤嚣；3 贮浆桶；争硼麓泵； 5 过滤器；一喷熊头：7 凝猢浴； - - - 受缝辊； 9 拉伸浴；1 0 - - - 挝伸辕；i i 洗涤浴；1 2 器绕辊 2 3 海藻纤维的性能 2 3 1 物理性能 图2 - 4 海藻酸纤维纺丝流程示意图 在显微镜下观察，藻酸纤维纵向无明显特征或稍有条纹；截面不规则，接 近于圆形，边缘呈锯齿形。p r b l a k e y 和m 0 e i a l f y 将等离子体刻蚀后的纤 维用扫描电镜观察，发现海藻酸纤维具有皮芯结构乜7 1 。海藻酸因来源不同，其 单体g 与m 的相对比例、排列顺序有较大区别，从而影响到纤维的物理机械性 能，一般，g 含量较高的纤维模量较低，而聚合物浓度分布较不均匀的纤维与 均匀的相比具有较高的模量。由于藻酸纤维中金属含量较高，约含1 0 钙，因 天津工业大学硕士学位论文 而比重较大，为1 7 5 9 c m 3 。重要的是，与棉、毛、涤纶等常用纺织纤维相比， 海藻纤维的强度和伸长率都较小，标准状态下强度在1 4 1 8c n d t e x ，断裂伸 长率在2 6 之间，并且纤维的强伸随含水量的增加而显著降低汹1 。 2 3 2 特殊医用性能 ( 1 ) 高吸湿和成胶性啪t 删 海藻纤维具有良好的亲水性，它可以吸收相当于自己体积2 0 倍的液体。以 海藻纤维为原料制成的医用敷料可以吸收大量的伤口渗出物，延长更换绷带的 时间，减少更换次数和护理时间，降低护理费用。 海藻酸钙纤维与钠离子的离子交换性质，是海藻纤维广泛应用于与伤口渗 出物接触的高科技包伤绷带生产中的基础。与伤口渗出液接触时，海藻酸纤维 中的钙离子可以和体液钠离子发生离子交换，使不溶性的海藻酸钙转变为水溶 性的海藻酸钠，在吸收大量的液体后形成一种海藻酸钠水凝胶，可为伤口的愈合 提供一个湿润的环境，可加快表皮细胞迁移速度，促进生长因子的释放，刺激细 胞增殖，增强白细胞功能。 ( 2 ) 高透氧性 吸湿后形成亲水性凝胶，与亲水基团结合的“自由水”成为氧气传递的通道， 氧气经吸附一扩散一解吸过程，从外界环境进入伤口组织内：而纤维的高g 段是纤 维的大分子骨架连接点，水凝胶的硬性部分( 氧气可通过的微孔) 避免了伤口的 缺氧状况，促使伤口愈合。 ( 3 ) 凝胶阻塞性 海藻酸盐绷带与渗出液接触时纤维大大地膨化，大量的渗出液保持在凝胶 结构的纤维中。此外，单个纤维的膨化减少了纤维之间的细孔结构，流体的散布 被停止，所谓的“凝胶阻塞”性质使得伤口渗出物的散布及对健康组织的浸渍作 用大大地减少了，并有效隔绝了外界细菌的侵入，防止感染创面细菌传播而造成 的感染d 。 ( 4 ) 生物降解性和相容性 海藻酸盐纤维属生物可降解纤维，对环境友好。 2 4 海藻纤维在医用敷料上的应用 海藻纤维在纺织方面的主要用途是制备创伤被覆材料，加快伤口愈合。人 类总在试图加快伤口愈合，首次有关伤口愈合的报道可追溯到4 5 0 0 年前，那时 人们就发现创面覆盖后较不覆盖愈合效果要好。长期以来，曾出现大量不同类 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用 型的敷料，但最具有影响性、应用时间最长乃至目前仍占很大市场的是我们称 之为传统敷料的纱布类敷料，此类敷料对创面的愈合无明显作用。一般由棉花、 软麻布和亚麻布加工而成。传统敷料由于其能保护创面；有吸收性；制作简单； 价格便宜；可重复使用等优点，一直在创伤领域占主导地位。但它却存在无法 保持创面湿润，使创面愈合延迟；敷料纤维易脱落，造成异物反应，影响愈合； 创面肉芽组织易长入敷料的网眼中，换药时可引起疼痛；敷料被浸润时病原体 易通过，换药时易损伤新生的组织；换药工作量大等缺点曲副。随着对伤口愈合 研究的深入，人们认识到使用敷料的目的远远不只是为了覆盖创面，敷料还必 须能帮助伤口愈合，同时也由于材料学和工艺学的进步，使敷料在近十几年中 发生了突破性的变化。 海藻酸纤维在医用敷料上的应用起源于“湿法疗法”的发明。在1 9 6 2 年， 英国人w i n t e r 阳1 通过猪体组织研究发现伤口在密闭潮湿环境下比在干燥状态下 愈合得快，提出了湿性愈合理论。之后许多科学家在人体上重复了w i n t e r 的研 究结果，验证了保湿伤口的愈合速度快、疼痛轻、疤痕形成少，能明显提高患 者满意度及降低费用，并开始了保湿敷料的研究。 保湿医用敷料能去除伤口的脓血和有毒成份，保持伤口高湿状态和高温环 境，同时能阻止微生物及外来颗粒和有毒成份的侵入，因此，与传统的纱布敷 料相比，保湿敷料有无可比拟的优越性。它能明显的影响创面修复过程和病人 的生活质量，具体表现在加速创面的上皮化、肉芽形成、坏死物质的降解，抑 制细菌的繁殖和扩散。许多临床研究表明：保湿敷料可缩短创面愈合的时间，降 低感染率，减轻病人的痛苦，并且减少医疗费用n 引。 湿润密闭的环境促进伤口愈合的的主要原因是m 1 ： ( 1 ) 促进生长因子的释放，刺激细胞增殖。许多学者发现创面的湿润环境 有利于保持细胞活力，创面渗出液中成纤维细胞生长因子、表皮细胞生长因子 以及血小板衍生生长因子等含量显著高于开放组，并且这些渗出液本身也能促 进离体培养的成纤维细胞、角质细胞和内皮细胞生长。 ( 2 ) 湿润环境可加快表皮细胞迁移速度。w i n t e r 等研究发现，结痴迫使表 皮细胞的迁移绕经痴下，阻碍表皮细胞的迁移，延长了愈合时间，而湿润环境 能增加表皮细胞的迁移速度。湿润的创面能维持创缘到创面中央正常的电势梯 度，促使更多的生长因子受体与生长因子结合，这些都将促进创面愈合。 ( 3 ) 白细胞功能增强。有研究表明，应用密闭性敷料感染率为2 1 6 ，而 应用传统敷料的感染率为7 1 1 左右。其机理由大量体外实验和临床观察证实， 密闭的环境有效隔绝了外界细菌的侵入，防止感染创面细菌传播而造成医院交 叉感染。同时该环境贮留的创面渗出液中含巨噬细胞、淋巴细胞、单核细胞等， 天津工业大学硕士学位论文 甚至其活性和血液中是相同的，这样有利于白细胞介导的宿主吞噬细胞发挥作 用，增强局部杀菌能力。 ( 4 ) 能创造低氧环境与促进毛细血管生成。与传统观念相反，新近的研究 发现相对低氧是毛细血管生发的强刺激源，从而更利于创面修复。离体实验表 明，组织培养基中的成纤维细胞在低氧分压时生长最理想，而表皮细胞生长在 氧浓度高于周围空气时则受抑制。在体外实验证实，愈合创面边缘与中心部位 之间的氧梯度能刺激毛细血管向氧浓度相对不足的伤口中心生长。保持创面低 氧张力，且不受外界变化过程的影响。组化和血流测定实验证实，湿润密闭的 创面较传统纱布包扎的创面毛细血管生成速度快，创面血流灌注明显增加，新 型敷料有利于坏死组织和纤维蛋白溶解。 ( 5 ) 研究发现，在新型敷料覆盖的创面，一方面组织内源性胶原酶等能得 到释放并激活，从而产生酶学清创作用。另一方面，构成新型敷料的水胶体本 身也能溶解纤维蛋白，被溶解的纤维蛋白本身反过来又可作为某些炎性细胞的 趋化因子，促进生长因子分泌进而加速愈合过程。 由于海藻纤维创伤被覆材料本身具有优异的亲和性，能帮助伤口凝血、吸除 伤口过多的分泌物、保持伤口维持一定湿度继而增进愈合效果。海藻纤维被覆 材料在与伤口体液接触后，人体中的钠离子跟纤维上的钙离子发生离子交换。 对于海藻酸医用敷料，在水分进入纤维形成胶体之后，伤口上的敷料可以形成 一层潮湿的水凝胶，由于凝胶具亲水性，可使氧气通过、阻挡细菌，进而促进 新组织的生长。这使得海藻纤维材料使用在伤口上较为舒适，而在移除更换敷 材时也会减少病人伤口的不适感，从而给伤口提供一个潮湿的复愈环境。此外， 海藻纤维所具有的另一个特性是其吸收性。它可以吸收2 0 倍自己体积的液体， 也由于其高吸收性可以吸收伤口的渗出物，所以可以使伤口减少微生物孽生及 其所可能产生的异味。而且海藻酸盐本身还具有促进愈合和止血的功能，比其 他传统的纱布更能促进伤口的复愈。正是由于藻酸纤维这种独特的成胶性、高 吸收性，使得海藻纤维材料能作为一种良好的医用被覆材料已渐渐被使用到临 床上的创伤治疗。 另外，已有许多专利报导了关于抗菌海藻纤维的开发和研制。抗菌性创伤 被覆材料是由具有吸收性及成胶性能的海藻酸加入一些抗菌金属离子( 如毒性 低的银离子) 或生物相容、降解性好的天然抗菌剂( 如壳聚糖、芦荟等) ，来抵 抗一些容易引起感染的细菌，主要是用来减少部分或深层伤口的地方引发感染 的危险。这种医用材料还可以覆盖在皮肤缝线的位置和外科手术切口的部分， 或是气管造口术( t r a c h e o s t o m i e s ) 的周围，避免伤口的感染。另外，这种材料 在其它方面还有广泛的应用如多孔体、经编纱布、膜的形式、吸收性产品、海 第二章海藻纤维的结构性能及其在医用敷料上的应用 岛型织物、尼龙( n y l o n ) 纤维等。在这类产品的开发方面，德国z i m m e r 公司的 全资分公司a l c e r u - s c h w a r z a 公司新开发一种具有抗菌功能的l y o c e l l 一海藻酸 纤维，在服装穿着、洗涤、干洗过程中不受任何影响，并能抑制大多数种类的 细菌，又对人体无任何副作用汹1 ；y i m i no i n 将银离子加入海藻酸的纺丝液中， 制得高吸湿抗菌海藻纤维钉；青岛大学公开了一种壳聚糖接枝海藻纤维及其制 备方法与用途的专利，这种纤维由于表面包覆一定的壳聚糖，因而具有良好的 吸湿性和抗菌性啪，。 2 5 小结 海藻酸钠是制备海藻纤维的最常用原料，海藻纤维的生产则是通过海藻酸 钠与c a 2 + 的离子交换反应，把水溶性的海藻酸钠离子交换成不溶于水的海藻酸 钙而形成纤维丝条。 与棉、毛、涤纶等常用纺织纤维相比，海藻纤维的强度和伸长率都较小， 模量较高，并且纤维的