纺织导报-生物医学纤维的开发.pdf
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1、F i b e r T e c h 摘要:生物医学纤维在生物医学 材料中具有重要地位,国内外对其研究开 发十分活跃, 文章介绍了 生物医学纤维的种类及甲壳素纤维、 骨胶原纤维、 聚乳酸纤维等主要生物医学纤维的制备技术、性能和用途,并指出我国应 重视生物医学纤维的研究开发。 关键词: 功能性纤维;生物医学;生物可降解 中图分类号: T Q 3 4 2 . 8 7文献标识码: A 文章编号:1 0 0 3 一3 0 2 5 ( 2 0 0 4 ) 0 6一0 0 6 3一0 4 东华大学材料科学与工程学院 纤维材料改性国家重点实验室沈新元 物医学纤维的开发 0 引言 生物医学材料是用于与生命系统接
2、触和发生相互作 用,并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修 复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。 生物医学材料可以加工成几乎任意的几何形状,包括三 维的块状,二维的薄膜状、纸状,一维的纤维状和准零 维的纳米粉体状。其中纤维状生物医学材料,即生物医 学纤维,由于具有长径比大、能加工成多种具有特殊用 途的生物医用制品等特点,在生物医学材料中占有重要 的地位。 我国生物医学纤维的研究总体上起步于改革开放以 后, 并取得了一批研究成果, 例如, 华东纺织工学院 ( 现 东华大学) 研制的中空粘胶纤维人工肾, 曾获得1 9 7 8 年 全国科学大会奖。进入9 0 年代,更多的基础研究成
3、果和 实用技术涌现出来,使我国的生物医学纤维材料研究水 平接近国际水平,并在部分领域达到国际先进水平。例 如中国纺织大学 ( 现东华大学)研制的新溶剂法纤维素 中空纤维人工肾获得了1 9 9 0 年国家发明三等奖。 复旦大 学研制的聚丙烯中空纤维人工肺开始投放市场。 目前, 我 国的生物医学纤维产业正在孕育之中,一批生物医学纤 维和器件 ( 器官)正在实现产业化。 1 生物医学纤维的种类 由于生物医学纤维材料由多学科参与研究工作,以 致于根据不同的习惯和目的出现了不同的分类方式。生 物医学纤维随来源、应用目的、活体组织对材料的影响 等可以分为多种类型。目前,这些分类方法和各种生物 作者简介:沈
4、新元,男,1 9 4 8 年生,教授,上海,2 0 0 0 5 1 医学纤维材料的名称还处于混合使用状态,尚无统一的 标准。 1 . 1 按来源分类 生物医学纤维材料包括金属生物医学纤维 ( 如不锈 钢丝) 、 无机非金属生物医学纤维 ( 如氧化铝纤维) 和高 分子生物医学纤维。其中高分子生物医学纤维按来源又 可分为2 类。 1 ) 天然高分子生物医学纤维: 如胶原纤维、 纤维素 及其衍生物纤维、蚕丝、甲壳素及其衍生物纤维等。 2 ) 合成高分子生物医学纤维: 有几种聚合物是专门 为生物医学应用而开发的, 即交醋 ( P G A ) , 聚乳酸 ( 聚 丙交醋)( P L A ) , 聚乙交醋
5、一 丙交醋 ( P G L A )和聚对二 氧杂环已酮 ( P D S ) , P G L A , P D S 和P G A被用于生产可 吸收的纤维。有几种已工业化生产的聚合物,不是专门 为生物医学应用而生产的,但通过用专门的技术进行加 工后,也可以制成供生物医学方面应用的纤维,如聚四 氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯睛和聚酸胺等。 1 . 2 按材料与活体组织的相互作用关系分类 采用该分类方式,有助于研究不同类型生物医学纤 维与生物体作用时的共性。 1 )生物惰性 ( b i o i n e r t ) 纤维: 指在体内不降解、 不 变性、不引起长期组织反应的生物医学纤维材料,适合 长期植入体内,例如
6、聚丙烯纤维等。 2 )生物活性 ( b i o a c t i v e )纤维:指植入纤维材料能 够与周围组织发生相互作用,一般指有益的作用。 3 )生物吸收 ( b i o a b s o r b a b l e )纤维:又称生物降解 ( b io d e g r a d a b l e ) 纤维。 这类材料在体内 逐渐降解, 其降 解产物被肌体吸收代谢,在医学领域具有广泛用途。如 莎 嚣 纺织导报 C h i n a T e x t ile L e a d e r 2 0 0 4 N o .6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from
7、www.PDFWatermarkR to remove the watermark F ib e r T e c h r e a u M E, 胶原纤维、甲壳素及其衍生物纤维、聚乙交醋纤维、聚 丙交醋纤维、聚 ( p 一 经基丁酸)酉 旨 纤维等。 1 . 3 按生物医学用途分类 采用此分类方法,便于比较不同结构的生物医学纤 维对于各种治疗目的的适用性。 1 )硬组织相容性生物医学纤维:主要包括用于骨 科、齿科的高分子材料,要求具有与替代组织类似的机 械性能,同时能够与周围组织结合在一起。 2 ) 软组织相容性生物医学纤维: 主要用于软组织的 替代与修复,往往要求材料具有适当的强度和弹性,不
8、引起严重的组织病变。 3 ) 血液相容性生物医学纤维: 用于制作与血液接触 的人工器官或器械,不引起凝血、溶血等生理反应,与 活性组织有良好的相互适应性。 4 ) 药物和药物控释生物医学纤维: 指本身具有药理 活性或辅助其它药物发挥作用的生物医学纤维,随制剂 不同而有不同的具体要求,但都必须无毒副作用,无热 原,不引起免疫反应。 还可以按生物医学纤维与肌体接触的部位和时间长 短进行分类, 分成长期植人生物医学纤维、 短期植入( 短 期接触)生物医学纤维等。 2 主要生物可降解纤维材料 2 . 1 甲壳素类纤维 早在2 0 世纪2 0 一 3 0 年代, 就有人研究甲壳素纤维, 由于合成纤维的问
9、世, 其研究自然终止。7 0 年代,当人 们认识到甲壳素纤维无毒、抗菌、有良好的生物相容性 和可吸收性以及抗炎、不致敏、能促进伤口愈合等优异 的生物特性之后,研究和开发甲壳素物质才又成为科技 开发的热点之一。目前,国内外多家单位开发的甲壳素 及其衍生物基纤维,统称甲壳素类纤维。 2 . 1 . 1 甲壳素类纤维的制备 制造甲壳素类纤维的甲壳素类物质较多,用不同的 原料制备原液的方法不同。一般情况下,以壳聚糖为原 料时,多选用5 %以下的醋酸水溶液作为溶剂,配制成 质量分数为3 %一7 %左右的纺丝原液。甲壳素纺丝原 液的制备多采用溶解性能优异的有机溶剂。考虑到甲壳 素比较难溶,在溶解时一般添加
10、适当的氯化锉助溶。 甲壳素及其衍生物纺丝原液中聚合体的质量分数一 般为0 .5 %一2 0 %,衍生物取代基团的大小、取代度的 高低以及不同的溶剂体系会影响溶解性能。一方面,原 液中聚合体含量过高, 原液粘度过大, 流变性能变差, 丝 条成型困难,给纺丝带来麻烦;另一方面,如果聚合体 含量过低,则纤维固化困难,初生纤维结构疏松,其物 理一 机械性能较差。 由于甲壳素大分子链的刚性,甲壳素及其衍生物在 适当的条件下能形成液晶相。 制备液晶相的纺丝原液, 是 纺制高强甲壳素类纤维的一种方法。目前已有人用甲壳 素衍生物为原料,选用合适的溶剂,制备了甲壳素衍生 物质量分数为1 3 %左右的液晶纺丝原液
11、。 制备甲壳素类纤维可采用干法纺丝、 湿法纺丝和干- 湿法纺丝等不同的成型工艺。原料及溶剂不同,其成型 工艺也不尽相同。干法成型工艺是以易挥发物质作为溶 剂。在湿法成型中,不同的衍生物的纺丝原液采用不同 的凝固方式, 由于大多数有机溶剂较易挥发且价格较贵, 一般湿纺成型时凝固浴多选用乙醇或水作为凝固剂。有 时,为了避免原液在凝固浴中细流固化过快,凝固浴内 常加入适当的溶剂,以降低原液细流的固化速度,提高 初生纤维的质量。 中国纺织大学从2 0 世纪8 0 年代末开始研究纺制甲壳 素纤维, 采用的溶剂是含有氯化锉的二甲基乙酞胺溶液, 并取得了国家发明专利。其工艺流程为:壳聚糖 * 溶 解。过滤一
12、 脱泡一 纺丝。 拉伸*淋洗一 上油* 集 束 一 干燥 。 切断 * 壳聚糖短纤维。 2 . 1 .2 甲壳素类纤维的性能与应用 甲壳素类纤维是由甲壳素类物质作为原料制得的, 因此它们也具有甲壳素类物质的一些性能,如良好的生 物活性、生物相容性、生物可降解性和抑菌性等。 目前甲壳素纤维和壳聚糖纤维的断裂强度较低,特 别是湿强远低于干强,这使它们的加工和应用受到一定 的限制。我们制备的壳聚糖纤维经中国纺织工业协会化 纤产品检测中心测试,线密度为2 . 0 1 d t e x ,断裂强度为 2 .0一2 .5 c N / d t e x ,断裂伸长率为9 %左右,达到国外 同类纤维的先进水平。
13、目前国外的甲壳素类纤维主要用于医疗卫生领域, 日 本U n i t i k a( 尤尼吉可)公司在用甲壳素纤维做可吸收 缝合线方面取得了进展。 我们研制的甲壳质医用敷料, 经 解放军第二军医大学附属长海医院、瑞金医院、中山医 院等临床应用,证明具有刺激新皮肤生成、加快愈合速 率、 减少疼痛等功能, 对治愈烧伤、 烫伤、 褥疮、 体表溃 疡等有独特的疗效。我们研制的甲壳素纤维和壳聚糖内 衣、内裤和袜子, 已投放市场多年。医院临床应用证明, 它们具有良好的抑菌性能。 纯纺者抑菌率达9 9 %以上( 表 1 ) ;混纺者抑菌率达7 5 %左右,具有良好的保健功能。 我们还与有关工厂进行了甲壳素/ 纤
14、维素共混纤维的研 究,取得了成功并申请了专利。现主要开发的产品有抗 菌袜、抗菌裤、婴儿袍、文胸等。 6 4 纺织导报 C h i n a T e x t il e L e a d e r - 2 0 0 4 N o . 6 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark F i b e r T e c h 澎魁坛 A, 表, 壳聚糖纤维及纯纺织物的抑菌检验结果 振摇 l h 抑菌率/ % 振荡0 h 菌落数/( c f u m L一 大肠杆菌 ( 8 0 9 9
15、) 金黄色葡萄球菌 ( A A T C C 6 5 3 8 ) 白色念珠球菌 ( A A T C C 1 0 2 3 1 ) 9 9 . 8 9 9 9 . 8 7 9 9 . 7 7 2 . 7 X 1 0 1 2 . 9 x 1 0 1 2 . 9 X 1 0 1 注:对照纤维抑菌率5 % 2 . 2 胶原纤维 2 .2 . 1胶原蛋白纤维的制备 胶原纤维是通过重新组构牛屈肌健的骨胶原悬浮液 制成的。首先将干净的肌键薄片用解酶进行处理,除去 骨胶原纤维素中的弹性硬元,使之容易膨胀。在除掉了 非骨胶原蛋白质和多余的酶之后,将肌键薄片浸在氰乙 酸和甲醇一 水的混合液 ( p H值为2一3 )里
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