医用纤维材料的研究进展

医用纤维材料的研究进展

随着纤维技术的进步，纺织和纤维产品进入了医学领域。目前,医用纤维材料与制品主要包括:(1)医用防护纺织品,如手术室用衣、消毒包扎用布和湿巾、面罩、医务人员制服以及医院床单、窗帘、揩布等;(2)外用医疗纺织用品,如创伤敷料、矫正绷带、矫正袜套、压力服装等;(3)可植入纤维材料及制品,如缝合线、人工血管、人工结扎线等;(4)体外制品,如血液过滤、人工肝脏、人工肾等;(5)牙科用敷料,如PTFE丝线等。医用纤维材料及合成聚合物的种类繁多。天然纤维材料包括棉、真丝、再生纤维素、甲壳素、骨胶原及藻酸纤维等;合成聚合物如PA、PET、PP、PTFE、PU以及用在缝合线及组织工程的生物可降解聚合物聚乙交酯(PGA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)和聚乳酸(PLA)等。近10年来,医用纤维材料及其技术取得了巨大进步。生物材料已用于外科临床移植,以置换危损的组织器官,修补肌体。医用纤维材料及其制品是一个高速发展的市场,2006年全球消耗量达31.8万t,目前年增长率在3.5%左右。据统计,世界卫生保健用纺织品的市场约为750亿美元,北美占33%左右,欧洲市场约占30%;外部医用纺织品如用于创伤处理的纺织品约为50亿美元,北美、欧洲各占35%,年增长率为6%～8%,其中,高性能创伤处理纺织品的年增长率有望达到10%～12%,生物医用制品增速则高达25%～30%。纳米纤维技术的高速发展和规模化生产,给组织工程、可移植材料、医药制剂控制与释放等医用领域提供了高性能纤维材料。1当前医疗纺织品技术1.1功能性合成纤聚合物材料传统的创伤医用敷料面临着革新和发展,如纤维素/聚酯纤维非织造产品制成的医用纱布可明显改进纱布的导液性能,并减少使用中可能产生的纤维屑。对传统的创伤包扎敷料进行铜/银表面处理,可赋予产品抗微生物功能。美国Cupron(卡普诺)公司成功添加氧化铜制剂于成纤聚合物中,制得的PET、PE、PU和PA包扎敷料已投放市场。高性能创伤处理敷料要求具有融入伤口愈合过程或直接进行创伤治理的功能,并形成一个湿润的环境条件以支持伤口自然愈合。如美国Johnson&Johnson(强生)公司采用纤维素和胶原加工的双组分纤维具有明显的伤口愈合效果。另一类创伤处理产品具有三维结构,当伤口愈合或再生时,可提供一个生物细胞附着于表面,形成组织支架。瑞士Tissupore公司开发的此类产品为多层结构织物。外部是质地密实的防护层,复合层为非织造布,具有吸收渗出物的功能。1.2材料特点的要求完美的人工移植材料要求具有如下生物特性,即:(1)多孔性:孔隙度要求利于组织生长和被包容;(2)纤维直径:要求纤维直径小且呈圆形截面,比纤度粗,不规则截面的植入材料更易于人体组织封合;(3)无毒性:聚合物或成型加工过程必须无毒、无污染;(4)生物可降解性和稳定性:具有该性能的植入材料更适宜与人体细胞相溶合,并随着时间推移趋于稳定。(1)缝合线的使用结扎线用于血管或其他部位的结扎处理,缝合线是外科手术后影响伤口定位和恢复的关键因素之一。20世纪40年代末,PA、PET、聚烯烃长丝开始用于创伤缝合,至70年代中叶,生物可降解缝合线如PHA、聚乙交酯(PGA)等纷纷投入使用。目前PHA缝合线已进入临床阶段。缝合线可使用单丝或复丝纱线。缝合线要求具有柔软的外表面,能顺利通过皮肤而不出现阻断,并易于扎紧成扣。理想的缝合线性能和使用拟编入电脑程序,包括缝合线可溶性范围5～100天、强力可从数克至50kg、手感要满足外科医生的临床要求等。此外,缝合线成圈结扣的稳定性、伸长和弹性的可选择性及其他技术要求也纳入程序,便于科学使用。目前,临床使用的缝合线主要采用PGA、PGA/PLA共聚物、聚己内酯(PCL)等。使用PHA可以制得高强力或低强力缝合线,也可纺制出弹性或无弹性缝合线。PBT缝合线具有适宜的强力及柔软表面,也是使用较广的缝合线之一。直径亚微米级的单丝缝合线通常用在眼科手术中。缝合线材质可具有生物可降解或非生物可降解的特性,生物可降解缝合线主要用在内创伤缝合,非生物可降解缝合线多用在暴露的外部伤口,便于伤口愈合后进行拆线处理。缝合线可以使用天然材质或合成聚合物,选择的依据是其具备的物理、化学性能以及生物特性。如:可吸收缝合肠线的最大优点在于使用中出现的反应平和,而胶原缝合线在强力、纯度和成本方面要优于肠线;可吸收PLA缝合线具有十分好的强力、很小的肌体组织反应和优良的结扣性能,不足之处是临床出现非特异性无菌炎症频率较高,强力损失较大,仅限于15天之内,而采用PLA共聚物制作的缝合线,强力损失要优于PLA,可达4～6周。常用的不可吸收聚合物缝合线的材料包括PA、PP、PET及PE等。Vicry是全球第一款抗霉菌医用缝合线,具有抑制和降低霉菌生长的特征。血管疾病外科手术中,人工植入材料引起血栓、结块、堵塞和感染最为敏感。源于蛋白、组织吸收和凝血反应的一系列外科手术问题约占临床手术的10%,这其中还包括2%的血管感染病人。人工动脉或静脉血管移植,主要用于置换人体心脏血管系统的阻力或机能变弱的部分,使用直径在6、8和10mm,植入阻塞部位并形成旁通,以重建恢复循环。直线和分支型移植器官,可采用经编或纬编工艺。多孔Teflon®制品展示了很好的生物相容性和抗凝血活性。研究结果表明,Teflon®人工血管不可过细,直径应不低于3mm,同时还需具有血液相容性、适宜的孔结构和可再吸收性,并利于组织生长及避免出现堵塞现象,管材本身可满足强度要求。目前PHA制品在心脏瓣膜、心血管的临床中已有使用。(3)生物材料的应用软组织植入也可与修复结合,涉及皮肤、韧带、肌肉筋腱和软骨等,包括血管组织的血管、心脏瓣膜,器官方面如心脏、胰腺和肾脏等。大多数软组织植入使用合成聚合物材料。作为植入材料需要具有与人体组织相容的特性,美国Clemson大学提出一种方法,即赋予植入物膨化结构以形成微细表面,使其与人体组织相容性达到最佳,从而避免引起植入部位出现炎症。生物医学材料可用于相容性软组织人工修补,即人造皮肤、人造筋以及人造角膜等方面。重要的是可促进细胞与组织生长,因此对生物医学材料的化学结构、电性能、亲水性、疏水性、材料表面粗糙度、品质均一性和材料挠性有十分严格的要求。目前用于软组织植入的可容性生物聚合物有骨胶原、丝蛋白、纤维素、甲壳质和壳聚糖等,其中人造移植材料包括硅橡胶、PU、水凝胶及碳纤维等。(4)pp网材的制备用于疝气修复和腹内置换的制品对机械强度和挠性指标要求十分严格,且要求制品有一定的空隙度,而结构需保证长期使用过程中处于最佳功能状态,通常可采用机织或针织方法制网。PP网材用于疝气修复临床治疗,显示出具有抗感染和抗过敏功能。在疝气治疗的Gore–Tex软组织修补中,已使用PTFE制品。(5)生物基合成系统硬组织可相容材料必须具有良好的机械性能。硬组织置换用聚合物主要的技术要求在于好的加工性能、化学稳定性和生物相容性。硬组织植入主要涉及人造骨骼、骨粘合制品、人造关节等,整形植入主要包括置换骨骼、关节和固定板以固定断裂的骨骼。有公司开发了一种以石墨和Teflon®制成的非织造布纤维网状产品,用其包绕植入物,可促进组织的生长。(6)纤维组织渗透剂中枢神经导管制品是医用纺织品研究的一个新领域,主要用于连接损坏的神经末稍和促进神经分泌微量物的通过,阻止纤维组织渗透,有利于修复损伤的神经。在该领域中,使用可导电聚合物是一项发现,如PP可形成局部电刺激,达到促进神经恢复再生的效果。在PHA系列医用制品中,聚3–羟基丁酸酯人工神经导管吸收时间达6个月以上,由于该材料的压电性能,神经组织生长可借助电荷刺激作用。神经导管可以是单根连续空心管材,也可以由连续中空纤维制成。1.3人工肾透析器设备人体外使用的医用纤维制品主要涉及血液净化、人工肺、人工肝脏和人工肾透析器等。中空纤维膜与超滤膜材料主要是醋酸纤维素(CA)、三醋酸纤维素(CTA)、铜氨纤维、乙烯/醋酸乙烯共聚物(EVAL)、PMMA、聚砜(PSU)和PAN等。1.4外科手术外墙类制品纳米纤维的许多特征非常适于医疗方面的应用,如纳米级非织造布具有良好的屏蔽性能,适宜做面罩和外科手术外衣类制品。纳米纤维网材具有液体分离功能,而且价格低廉,是多数医用纺织品(如高性能创伤敷料等)的理想材料。使用天然聚合物制得的纳米纤维非织造网材易于与组织融合,在实施细胞工程时,纳米纤维的尺度效应可促进细胞组织的生长。2一些医疗纤维的技术特点2.1熔法纺丝牵伸设备医用缝合线以及可植入材料如医用单丝、复丝产品等均可在熔法纺丝设备上完成。美国AlexJames&Associates公司采用两步法生产工艺,可纺制医用复丝和小直径的医用细旦单丝。该熔法纺丝牵伸设备使用直径为18～25mm的挤压机,每个卷绕位2卷装,卷绕速度1600m/min,并配置3组罗拉,可对丝束进行热定形,以调整产品品质即强度和伸长指标。另外,该公司还可提供一种复式熔法纺丝牵伸单元装置,其工艺流程如下:德国Fourne公司的新型柱塞式实验纺丝机专门用于纺制医用纤维,德国Aachen大学纺织技术研究所(ITA)使用该设备开发了医用可植入纤维制品。该新型柱塞式实验纺丝机采用模块化设计,有很好的实验弹性,最小的实验批量仅30g,非常适于医用纤维新产品的研究实验。2.2医用双丝t、pvdf材料比利时Luxilon公司使用单丝(MHS)生产线开发了一系列医用纺织产品,用于缝合线、可移植材料等,可使用PP、PA6、PET及PVDF聚合物原料。该公司的Sterilux®系列医用单丝产品可满足美国药典(USP)和欧洲药典(EP)要求。医用单丝的纺丝工艺流程如下:Luxilon公司开发的Thermolux型产品具有粘合性能,适宜做医用绷带产品;Sterilux®系列用于缝合线、可植入制品,具有直接用于医药工业的品质资格;该公司另一型号Elastlux是弹性单丝产品,用做医用制品可在高压下进行消毒处理。2.3中空纤维膜的生产中空纤维已在气体或液体的超细过滤中广泛使用,医疗和器械的发展,使人们认识到中空纤维在医疗领域有巨大市场。医用中空纤维具有连续的中空结构,如PSU中空纤维已用于血液净化。双组分纺丝工艺是制备中空纤维较常用的方法,该工艺选择芯组分为可溶解聚合物,纤维成形后,溶去可溶组分即形成空隙结构。该中空纤维可通过熔法纺丝或湿法纺丝完成。此外也可采用熔融纺丝,使用特别设计的纺丝组件,在纤维芯部注入惰性气体,以形成连续空芯结构的中空纤维。美国AlexJames&Associates公司提供的溶液纺丝实验机,可纺制PSU中空纤维。该机配置3组原液贮罐,纺丝液精密计量进入特别设计的纺丝组件,于纤维芯处通入低温气体,于凝固浴槽中形成中空纤维。丝束经过水洗、干燥后卷取成形。中空纤维膜主要用在血液透析和血液净化中。目前广泛使用的是PSU和聚醚砜(PES)产品,两者约占60%,其余多是纤维素中空纤维膜,每一台透析器平均需耗用3km的中空纤维。制备中空纤维膜主要有下列几种方法:(1)熔融纺丝牵伸工艺,此法工艺简单,成膜效率高,生产过程中无需添加剂,制造成本相对较低,目前采用熔法纺丝牵伸工艺,已成功制得PP、PE、聚4–甲基戊烯等中空纤维膜;(2)相转化法,使用此法可生产微滤、纳米滤或超滤中空纤维膜,包括聚偏氟乙烯(PVDF)、PA、CA/CTA、PAN、聚酰亚胺(PI)等;(3)热相分离法,采用此法制得的中空纤维膜材有PP、PE、PVDF、PVC、PE/乙烯醇共聚物等,特别是在超高分子量聚乙烯中空纤维膜成形中显示出十分好的效果。FilaTech公司采用AirGap湿法成形纺制了中空纤维膜。聚合物在有机溶剂中制成具有一定粘度的纺丝原液,然后从特别设计的纺丝板连续进入空气通道,同时,惰性气体以孔流形式射入纤维芯层,于空气通道下方的纺丝浴内形成中空纤维膜。成形的中空纤维膜经洗涤后去除溶剂,并于湿态下卷绕成形,也可进行连续干燥再卷绕成束。采取连续干燥工艺可赋予中空纤维膜卷曲的特性。经卷曲处理后,其使用性能(透析性能)可明显改善,最终以纤维束形式出厂。中空纤维膜生产线宜采用多孔设计方案,这样不仅可以保证最优化的产品运转成本,且生产过程中的断头、废丝及停车率最低。FilaTech的中空纤维膜纺丝生产线配置1500孔单元,标准情况下每块成形板有36孔,成形纤维的间距为1.2mm。当生产线产能提高50%时,成形板为48孔,成形纤维间距可达0.75mm。生产线于干态下进行卷绕,速度达25m/min,并配备水循环系统和溶剂回收系统。3聚乙烯外科生产废水医用纤维及制品虽属贴近人们生活的普通消费品领域,但具有巨大的发展潜力和市场。这其中也不乏高附加值、高技术含量的产品,诸如中空纤维膜及人工肾透析器、生物可降解缝合线、血管移植制品、高性能聚乙烯外科可移植制品以及纳米纤维医用制品等。随着我国居民生活环境的不断改善和提高,医用