生物可吸收纖維的制備及應用
生物可吸收纖維是生物可吸收醫用紡織品的原料。本文全方位介紹生物可吸收纖維的種類及甲殼素、骨膠原、海藻酸、PLA、PGA、PCL和PHB等主要生物可吸收纖維的制備技術、性能和用途。醫用紡織品是產業用紡織品分支之一，在醫療領域的用途正變得越來越重要。以美國為例，2000年醫用紡織品的銷售額為760億美元，近年來的年增長率平均達到10%。
生物醫用紡織品主要以生物醫學纖維為原料。生物醫學纖維能與生命系統接觸和發生相互作用，并能對細胞、組織和器官進行診斷治療、替換修復或誘導再生。由于生物醫學纖維有很高的附加值并在實際應用中展示出非常可觀的市場前景，因此已成為世界各國研究的熱點。
中國生物醫學纖維的研究起步于1978年，到20世紀90年代，更多的基礎研究成果和實用技術涌現出來，使中國的生物醫學纖維材料研究水平接近國際水平，并在部分領域達到國際先進水平，其中東華大學研制的溶劑法纖維素中空纖維人工腎、復旦大學研制的聚丙烯中空纖維人工肺等是其中的楚翹。東華大學年產5噸殼聚糖纖維專利生產線目前，中國的生物醫學纖維產業正在孕育之中，一批生物醫學纖維和器件（器官）正在實現產業化。生物醫學纖維的種類由于生物醫學纖維材料中滲透著多學科技術結晶，因而出現了不同的分類方式。
按原料來源，生物醫學纖維材料包括金屬（如不銹鋼絲）、無機非金屬（如氧化鋁纖維）和高分子三類生物醫學纖維，其中高分子生物醫學纖維按來源又可分為天然高分子基和合成高分子基類生物醫學纖維；按材料與活體組織的相互作用關系，生物醫學纖維可分為生物惰性纖維、生物活性纖維和生物可吸收纖維。生物可吸收纖維又稱生物降解纖維，這類材料在體內逐漸降解，降解產物被肌體吸收代謝，在醫學領域具有廣泛用途。
生物可吸收纖維纖維的種類有：天然高分子基生物可吸收纖維，包括甲殼素及其衍生物纖維、膠原纖維、海藻酸纖維等；合成高分子基生物可吸收纖維，包括聚乙交酯（PGA）纖維、聚乳酸（聚丙交酯）（PLA）纖維、聚乙交酯―丙交酯（PGLA）纖維、聚已內酯（PCL）纖維等。制備技術與性能天然高分子基生物可吸收纖維甲殼素類纖維甲殼素廣泛存在于節足動物（蜘蛛類、甲殼類）的翅膀或外殼及真菌和藻類的細胞壁中，在自然界中，年生物合成量約100億噸，是地球上除纖維素以外的第二大有機資源。甲殼素經濃鹼處理，脫乙基即制得殼聚糖。甲殼素含有乙基和羥基，殼聚糖含有羥基和氨基，二者經化學反應生成系列衍生物，統稱為甲殼素類物質。
甲殼素類纖維可以采用濕法紡絲、乾法紡絲和乾―濕法紡絲工藝制造。迄今為止，甲殼素和殼聚糖纖維的生產采用濕法紡絲工藝。甲殼素用溶解性能優異的有機溶劑，加適當的氯化鋰助溶，殼聚糖選用稀酸作為溶劑。甲殼素類纖維在醫療領域的用途十分廣闊。例如，甲殼素纖維能夠止血并使血液凝固，因此用它們制作的纖維氈是一種很好的止血用品。此外，甲殼素類纖維可做成各種繃帶和紗布，廢棄後自然降解，不會污染環境，近年來已被美國裝備于軍隊中。早在《神農本草經》、《本草綱目》、《食療本草》等古文獻中，都明確記載甲殼素具有攻毒、散風活血、通脈消腫、止血生肌等功能。
而甲殼素類纖維無毒性，具有能被人體內溶菌為降解而被人體完全吸收的功能，對人體的免疫抗原性小，且具有消炎、止痛及促進傷口愈合等生物活性。甲殼素纖維和殼聚糖內衣、內褲和襪子，已投放市場多年。經醫院臨床應用，證實具有良好的抑菌性能。純紡者抑菌率達99%以上；混紡物抑菌率達75%左右。
目前甲殼素和殼聚糖纖維的斷裂強度較低，特別是濕強遠低于乾強，這使加工和應用受到一定的限制。東華大學制備的殼聚糖纖維經中國紡織工業協會化纖產品檢測中心測試，線密度為2.01dtex，斷裂強度為2.0cN~2.5cN/dtex，斷裂伸長率為90%左，達到國外同類纖維先進水平。殼聚糖纖維及純紡織物的仰菌檢驗結果（對照纖維抑菌率<5%）膠原纖維膠原是一種蛋白質，在皮膚、骨胳、腱、血管、腸、眼角膜和牙齒中擔負著個體保護以及保持形態的作用。膠原纖維是通過重新組構牛屈肌腱的骨膠原懸浮液制成的。
先將乾凈的肌腱薄片用解元進行處理，除去膠原纖維束的彈性硬元，使之容易膨脹；在除掉了骨膠原蛋白質和多馀的之後，將肌腱薄片浸在氰乙酸和甲醇/水的混合液里使其膨脹，接著再將得到的混合物進行均勻化處理和過濾，然後通過濕法紡絲工藝壓入適當的凝固浴里形成絲條。膠原具有生物適應性優良、無抗原性和生物體吸收性良好等醫用特點，因此可開發和應用于傷口保護。
膠原纖維與人的皮膚組成幾乎相同，具有最好的親和性和穿著舒適性，且乾強度和濕強度都超過了羊毛，彈性也遠遠超過了羊毛，還具有抑菌作用。膠原纖維的基本性能及與其他纖維的比較藻酸纖維海藻酸是從海藻植物中提煉的多糖物質，原料豐富，海藻酸纖維可由濕法紡絲制備。將海帶中提取的海藻酸鈉溶液經過噴絲頭擠出後送入含鈣離子的酸性凝固浴中，海藻酸鈉與鈣離子發生離子交換，即形成不溶于水的海藻酸鈣纖維。英國采用這種方法已經成功地制取了海藻酸鈣纖維。
海藻酸鈣纖維有非常強的吸濕性，吸濕能力是常用棉的5倍以上，能吸收超出自身重量20倍的滲出液。它可以生物降解，但斷裂強度較低。合成高分子基生物可吸收纖維聚乳酸及其共聚物纖維聚乳酸（PLA）以乳酸為基本原料，其中L-乳酸可用來制備生物醫學聚乳酸纖維。PLA有兩種合成方法，即丙交酯（乳酸的環狀二聚體）開環聚合和乳酸直接聚合。PLA紡絲可采用溶液紡絲和熔體紡絲來實現，其中熔體紡絲具有經濟上的相對優勢，各種用于生產滌綸的現行熔體紡絲工藝（高速紡絲一步法，紡絲－拉伸二步法）都可采用。
日本島津（ShimaSeiki）于1992年在實驗室中成功進行了PLA的熔體紡絲，目前，采用熔體紡絲生產PLA纖維目前已進入了商品化生產階段。東華大學承接的中國石油化工股份有限公司“聚乳酸的合成方法及纖維制備工藝”項目已于2003年7月通過了技術鑒定，經中國化纖工業協會化纖產品檢測中心測定，拉伸纖維的斷裂強度達4.0cN/dtex，斷裂伸長為31%。體內試驗表明，PLA可發生水解反應，水解的中間產物為乳酸，它是體內糖的正常代謝產物，可循照乳酸的代謝途徑參與體內生化代謝，最終生成無害的小分子水和二氧化碳，故該聚合物無毒、無刺激性、體內可吸收，具有良好的生物相容性。
由于PLA為疏水性物質，降解周期不易控制，因此乳酸共聚物的合成成為近年來可吸收醫用高分子材料的研究熱點之一，其中用途最廣泛的為聚乙交酯―丙交酯（PGLA），它是用一定量的乙交酯與L-丙交酯在有機金屬催化劑的作用下，通過開環并進行本體聚合制得的。聚乳酸及其共聚物纖維在醫療領域的用途還有許多，例如，聚乳酸纖維可以在骨折內固定中用來增強聚乳酸，大幅度提高固定材料的初始強度；或作為可溶蝕載藥基材，用于制備緩釋制劑和靶向給藥制劑；利用其力學性能和生物可降解性，可用作藥物控釋體系中的載藥材料、人工管道、人工韌帶、人工肌腱、疝補片、繃帶、尿布和用即棄工作服等。
聚已內酯纖維聚已內酯（PCL）是半結晶性聚合物，熔點為59°C~640°C，玻璃化溫度為600°C，具有很好的柔韌性和加工性。PCL可通過熔體紡絲紡制成纖維。由于PCL纖維的降解時間在2年左右，因此常通過共聚改性而加快生物吸收速率。例如，已內酯與DLLA的共聚加快了纖維的生物降解速率。經過對PCL纖維的制備進行研究，發現其力學性能與聚烯烴纖維相似，柔韌性比PLA纖維好，并且具有很好的生物相容性。聚乙交酯纖維聚乙交酯（PGA）纖維亦稱聚羥乙酸纖維或聚乙醇酸纖維。PGA以三氧化銻為催化劑，由羥乙酸縮聚制備，但分子量較低。工業上以銻、鋅、鉛和錫化合物作催化劑，通過乙交酯開環聚合制得分子量較高的PGA。
PGA可以通過熔體紡絲制成纖維，該纖維在活組織內在10周~18周內被吸收。生物可吸收纖維的主要應用傷口敷料目前在傷口保護方面正開發和應用的生物可吸收纖維主要是骨膠原纖維、海藻纖維和甲殼素類纖維，對傷口治愈過程十分有用，將上述三種纖維切斷後制成非織造物，即為傷口敷料。這類敷料透氣吸濕性優異，能保持創面乾燥，避免造成致命性感染，解決了其他敷料和外用膜難以克服的積液缺點。當海藻酸纖維用于傷口接觸層時，與傷口之間相互作用，產生海藻酸鈉、海藻酸鈣凝膠。
這種凝膠是親水性的，可使氧氣通過而細菌不能通過，并促進新組織的生成，因此是醫傷口敷料的理想原料。用這種纖維制得的傷口敷料，在更換敷布時，一些留在傷口上的纖維無需去除。因為少量的纖維可以被軟組織慢慢地吸收掉，這就大大地減輕了病人的痛苦。而且海藻酸鈣纖維制得的傷口敷料可以加速傷口愈合。東華大學研制的殼聚糖傷口敷料經上海二軍大附屬長海醫院、瑞金醫院、中山醫院等臨床應用，證明具有刺激新皮膚生成、加快愈合速率、減少疼痛等功能，對治愈燒傷、燙傷、褥瘡、體表潰瘍等有著獨特的療效，并取得生產許可證和衛生許可證，并進入上海市醫保范圍。
可吸收手術縫合線手術縫合線可以劃分為：吸收型――在被植入後一年左右時間內，主體在縫合線處已不復存在；不可吸收型――在超過一年時間後，仍然保持著大部分原有的質量，并且部分地或全部地保持著初始功能。傳統的可吸收縫合線是腸衣線，雖然可以滿足使用要求，但縫合和打結不大容易，而且易產生抗原/抗體反應，在體內的適應性還不理想。甲殼素類纖維也可作縫合線，它在解後可以被組織吸收，但打結強度還有待提高。膠原在化學組成上與腸衣線相類似，制成的手術縫線早已收載入英國藥典，用于眼科手術。目前國外可吸收合成縫合線主要由PLA、PGA和PGLA等合成聚合物制成。
這類縫合線大多都是由復絲編織成，具有較為柔韌的性能，而眼科手術用的小號縫合線可由單絲制成。由這些纖維制成的縫合線具有組織反應性小、抗張強度大、柔韌性好及可被體液水解吸收等優異性能，因此在整形外科、顯微外科、眼科和婦科中得到系統應用。早在20世紀60年代，PGA縫合線就以“Dexon”的商品名投放市場，PGLA縫合線也已在1975年以“Vicryl”的商品名上市，PCL和PHB也已用作手術縫合線。國內對可吸收縫合線的研究和開發已多年。
東華大學繼20世紀80年代研制成甲殼素縫合線後，90年代又研制成PGLA縫合線，并取得了發明專利。該縫合線經臨床試驗，產品強度高，生物相容性好，降解吸收周期為60天左右，目前已以“天合”的商品名投放市場。牙周再生片目前，常用的各種牙周治療技術和手段的效果大多是牙周再附著，很難達到理想的牙周新附著，治療效果并不理想。牙周再生片是一種引導性組織再生器具，即采用膜狀物作為屏障，阻擋齦組織與根面的接觸，騰出空間供牙周韌帶潛能細胞生長分化，達到牙周組織再生的效果，它為牙周病的治療、牙種植區骨量不足及其它骨缺損的修復、骨折的愈合提供了新的有效途徑。以往屏障薄膜用e-PTFE（聚四氟乙烯）制造，并需用齒科塑膠作添加物。
但e-PTFE不可降解，需另外動手術移除，增加發炎及感染的機會；添加物雖能鞏固薄膜，但會造成過敏反應；無孔的薄膜雖然很易制造，但生物相容性低，細胞難以依附表面生長。牙周再生片能自動在體內降解，使牙周病的根治化繁為簡；沒有添加物，保證與牙齦組織有良好的結合，使傷口愈合初期的發炎程度極為輕微；通過纖維織造形成的互連多孔結構能促進組織結合，加速痊愈，經上海市第一人民醫院為期6個月的臨床試驗，生物相容性好，安全性穩定，臨床效果滿意。PGLA牙周再生片生產工藝流程周圍神經再生導管生物可吸收纖維在組織工程中占據非常重要的地位。構建組織工程人工器官需要三個要素，即種子細胞和支架材料、細胞生長因數，生物可吸收纖維是組織工程支架的理想材料之一，可以通過編織等加工方法制成所需的支架，在人工皮膚、人工軟骨、人工神經、人工肝等組織工程方面呈現出具有美好的應用前景。東華大學將PGLA纖維制成支架，用于周圍神經缺損的修復，生物可吸收材料材料引入周圍神經再生導管，避免了二次手術取出的不便。
已報道的生物可降解合成材料有甲殼素、PLA、PGA、聚乳糖、聚氨酯、脫水交聯明膠等。東華大學聯合國內外有關專家對生物可吸收神經再生導管進行了深入研究，研制了PGLA神經再生導管和導線，并將神經促進生長因數涂覆到管道和管線上以提供神經生長的營養，發揮幫助神經再生的全面生物活性，從而促使周圍神經沿導線及導管內壁再生恢復，該項目已通過動物試驗。心血管植入物當人體心血管系統發生堵塞或功能衰退時，可用人造靜脈或人造動脈進行置換，替代原來的受損心血管體系。搭橋植入體一般為管狀物。早期心血管植入物用的纖維之一是由生物不吸收纖維與膠原纖維交織成的多孔網狀物。
纖維在心血管方面的應用已經擴展到下述的諸器官的結構中：
1、帶有縫合環和支撐蓋的心臟瓣膜；
2、具有柔性隔膜（或薄膜）的心臟輔助用品；
3各種血管和脈管的移植用品。它們可由變形的或未經變形加工的紗、機織物或無紡織物、針織物、微孔織物（原纖）狀薄膜以及各種類型的帶絨織物所制作，所用的材料生物可吸收纖維和生物不吸收纖維，也可以使兩者結合使用。人工腎透析器人工腎透析器等體外循環醫療器械通常用中空纖維組裝而成。所謂人工腎透析器是一種血液凈化裝置，可以代替腎臟功能以脫除代謝廢物。目前世界上有幾十萬人依靠它維持生命，產值達7.0億~22.5億美元。用甲殼素及衍生物的中空纖維制成的人工腎透析器于1983、1984年分別申請了歐洲和日本專利，這類中空纖維不僅可以經受高溫消毒，而且有較大的機械強度。在進行血液透析時，克服了長期使用醋酸中空纖維和銅氨中空纖維制成的人工腎透析器對中、低分子有毒物質透過率低的缺點。
沈新元教授任東華大學材料科學與工程學院副院長，亦是教育部高等學校高分子材料與工程專業教育指導委員會委員、上海化學化工學會膜技術及應用專業委員會委員、上海生物醫學工程學會生物材料專業委員會委員。