生物医用纺织品
医用纺材1101 110410127 于成龙
第一部分 医用纤维和生物纺织
医用纺织这个词语定义包含了医用产品与涵盖了伤口绷带织物，组织工程支架和血管移植物高科技产品的医用设备。纺织物在医用领域的应用还得追溯到古埃及和印第安人，受伤后他们利用纺织物作为绷带来覆盖和缝合伤口。在过去的几十年里，伴随着新型和创新型的纤维，织物和治疗方式的出现，纤维和纺织物在医学领域的应用也呈现戏剧化的增长。生产加工技术，纤维技术和组装技术的发展带来了无数产品和治疗方法的新概念，这些有的还处于发展阶段，有的已经进入了临床治疗阶段。在这章，纤维和纺织织物技术和它们在新旧领域的应用会一起呈献出来。为了可以总览与纺织物在医用领域应用相关的技术，传统和非传统的纤维和织物结构，加工问题和织物测试内容也会包含在内。表1列举了纺织物在医用领域非常普遍的应用。，从这张表可以看出，产品涵盖了最简单的绷带到最复杂的像人造血管和组织工程支架等纺织类产品。
1.1 医用纤维
所有的纤维基医用设备都是由单丝，复丝和由合成高分子，天然高分子，基因工程聚合产物形成的短纤组成的。当为特定的产品选择合适的纤维结构和聚合物时，一定要考虑产品的设计需要和纤维的使用方式。例如，胶原质基可植入止血绷带的复合结构包括松散的粉末（苯胺），非织造的垫子和针织的胶原质纤维织物（surgicel 止血纱布）。除此之外，其他材料也可以达到相同的目的（止血纱布，止血剂由再生纤维素针织而成）。纤维也可由不可吸收的合成高聚物如PET、PE、PTFE，或是可吸收的合成高分子如PLA、PGA、天然材料如胶原质、聚多糖、海藻酸盐也被应用于制造医用设备。最近报道，仿生聚合物也被实验合成。通过基因工程，改变弹性蛋白，胶原质和蜘蛛丝蛋白的缩氨酸数量和序列，利用质粒和带菌体在酵母和埃希式大肠杆菌中表达出来。
棉仍然广泛应用在绷带，棉球纱布，手术用盖布，手术服。在近来的惯例中，棉许多应用领域已经被涂层的无纺一次性（可随意处理）织物代替，尤其是一些不可吸收性起决定性作用的应用领域。
很有必要强调，目前在医用领域应用的人造聚合物都是从非医用领域的商用聚合物发展而来的，所以聚合物中经常会有一些添加物如染料，消光剂，稳定剂，抗氧化剂和抗静电剂成分。这里的一些化学物质可能是医用领域不希望存在的，所以应用前需要除去。举例验证这点，PET通常称为涤纶，目前是大部分大口径纺织基血管支架管选用的材料，过去通常为服用。它在应用于植入材之前需要经过一个非常复杂的清洗过程。与这相关的其他阅读材料可以在Goswami et al.(1997)找到。
1.1.1 合成纤维
在过去的25年间，各种各样的合成纤维已经应用制造医用设备。从20世纪50年代起，许多材料被评估以应用在血管支架管，如维荣，PVC，聚丙烯酸，PVA，尼龙，PTFE，PET等，如今，只有PTFE和PET由于性质呈惰性，柔软，有回弹性，持久耐用，不易生物降解而仍然应用在血管支架管领域。它们可以长时间体内使用，而其他材料则没有证实可以在应用于植入材可以持久耐用。表2展示了一部分合成聚合物纤维，它们的制造方法和它们在医用领域的应用领域。
大部分合成纤维都是用熔体纺丝或是湿法纺丝过程制成的。
1.1.1.1 熔融纺丝
树脂聚合物的熔融纺丝，加热升温高于树脂的熔融温度，然后从喷丝头将树脂挤压出来。喷丝头的孔数确定了生产纤维的细丝数量。例如，一个单丝喷丝头只有一个孔，通常用于血管支架管结构的54复丝纤维则需要54孔喷丝头。一但单丝或是复丝从喷丝头挤出时，然后用筒管牵拉并优先冷却。纤维还可以进行后续加工过程形成最终结构。例如，大部分应用在血管支架管的纤维是卷曲变形的来提升最终产品的操作性。与平的或是非卷曲纤维相比，卷曲的纱线可以使织物组织蓬松而提升手感，或是提升感觉，柔顺性，使缝合操作容易，更多的微孔使组织更容易向内生长。熔融纺丝特别应用于热塑性聚合物纺丝，它不受在熔融纺
丝过程中熔融聚合物而上升温度的影响。图1为湿法纺丝过程示意图。
在这个过程中，熔融的树脂从单孔或是多孔喷丝头挤出。首先是空气用来冷却和固化连续不断的纺丝，然后再润滑，加捻，最后卷绕到筒管上。
1.1.1.2湿法纺丝
如果聚合物在升温过程中经历热降解，比如含有药物的高聚物，则适合使用温度低的湿法纺丝。在这个过程中，首先将高聚物溶于溶剂当中，然后通过喷丝头挤压到含有非溶剂的纺丝浴槽。因为在纺丝浴槽中溶剂可溶而高聚物不可溶，持续喷出的高聚物流就会沉淀成固体纤维。之后再将其通过洗涤去除所有的溶剂和非溶剂，然后在风干之前先将其拉伸定型和去除水分。图2（Fig.2）是典型湿法纺丝工程的示意图。
1.1.1.3静电纺
通过熔融纺丝和湿法纺丝得到的纤维直径取决于喷丝孔的大小以及在固化前施加在长丝上的牵引拉伸。因此，通过传统方法放出来的纤维，复丝直径大约在10um，单丝直径大约在500um或更多。为了获得更好的纤维直径，引用如双组份纤维处理或者静电纺技术代替传统纺织方法是非常必要的。自从1934年第一份相关专利申请以来，人们就知道了生产超细纤维和纳米纤维的方法。从那以后，科德宝集团就用这种方法生产了商品---超高效过滤器。
静电纺在高聚物溶液或熔融状态的高聚物暴露在高电压（5~30kV）的静电场时发生。这种程度的高电压足以使高聚物克服其表面张力，并且加速高聚物液体的细射流，使其喷向接地的接收板。当高聚物细流冷却或丧失溶剂后，他们就会牵拉成一系列不稳定的环状，然后凝固，再将接地旋转圆筒或其他特殊形状接
收板上的相关纤维网收集。
图3（Fig.3）
纺出来的纤维的好坏取决于原料聚合物的化学性能，聚合物溶液或熔融状态下的粘性，静电场的强度和均匀度，静电纺丝机的形状和操作情况。据报道，通过此方法已纺出直径从1um~100nm或者更小直径的纤维。 静电纺纺出的纤维，除了将其用来生产超薄过滤膜之外，还被应用于非织造伤口敷料，并且最近很多人开始对将其应用于组织工程学支架非常感兴趣。就非织造支架而言，已有聚丙交酯、聚丙乙交酯（PLGA）、聚乙烯醇（PVA）和聚碳酸酯等被报道。另外，人们已经开始使用基因工程以弹性蛋白的弹性体肽序列为基础，合成仿生弹性蛋白缩氨酸聚合物，然后通过大肠杆菌中的pRAM1重组质粒表达。通过静电纺纺出的蛋白质纤维，其直径可达3nm~200nm。（Huang et al.,2000）图4（Fig4）。
1.1.1.4聚合物与纤维的选择
当选择医用纤维的原料聚合物和纤维的结构时，需要全面考虑到它最终产品的用途。如产品在体内的耐用性，产品的机械性能，制造中的限制和消毒方法等都需要考虑。为了阐释这个观点，以聚丙烯为例，聚丙烯已经成功应用于如疝气修复补片等多种植入性医疗器件。经验证明，聚丙烯在组织相容性方面有很好的相容性，并且有足够的机械强度使其成为植入性材料。但一个非常重要的问题是，这个移植物是否能够稳定并且长久的存在于体内。图5（Fig. 5）展示了分别由e-PTFE，聚酯和含聚丙烯纱的BCF纤维纺织的植入性物质的蠕变特性。
对于第一个BCF设计而言，聚丙烯被用作纤维中不可吸收的核心材料和主要的结构组分。表格5（Fig. 5）表示了加压情况下植入性材料直径随时间的系列变化。经典的植入性材料如PET和e-PTFE随时间变化并没发生蠕变，而以聚丙烯为基础的材料在实验阶段内却持续发生蠕变，使他们无法被用于长期血管移植。然而，在其他如疝气修补片和缝合线等方面，聚丙烯已经得到了非常成功的应用。我们需要注意到在第二代BCF设计上，核心材料已经被改为对笨二甲酸丁烯（King et al.,2000）。
1.1.2可吸收合成纤维
合成纤维在临床方面的另一个应用，由那些在体内随时间被吸收的聚合物设计而成。这些生产出来的产品主要用于缝合线，但在神经学，血管移植物和组织支架应用方面也在做实验研究。表格3（TABLE 3）中列出的是在过去已经用于制造理疗器械的可吸收高聚物。在与身体接触后，这些高聚物通过水解或者酶降解过程降解成无毒的副产物。这些高聚物通过从纤维表面到被完全吸收的腐蚀过程，或通过从纤维内部开始的自身催化过程达到降解效果。在使用这些材料的时候有几点需要注意。如，使用降解材料制造血管时，如果在降解过程中有高聚物
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