第九章：生物医用纺织品.ppt

　　第九章：生物医用纺织品

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　　(Gp:)

　　1

　　生物医用纺织品及其分类

　　2

　　生物医用纺织品的开发现状

　　3

　　生物医用纺织品的发展趋势

　　4

　　仿生结构复合小口径人造血管的研制

　　2

　　1 生物医用纺织品及其分类

　　生物医用纺织品是纺织学科与生物医学学科相互交叉的新学科领域。

　　创新性最强

　　科技含量最高

　　市场前景最为广阔

　　3

　　其中约有70%为用弃产品, 30%为重复使用产品。

　　%

　　4

　　生物医用纺织品

　　卫生用品类

　　医用防护类

　　医用敷料类

　　仿器类

　　外科移植类

　　尿布 卫生巾 成人失禁垫

　　口罩 手套 手术衣 手术罩 隔离单 防护服

　　纱布 棉绒 衬垫 创口贴 绷带 固定支架

　　手术缝合线 人造皮肤 人造血管 人造气管 人造骨骼 人工关节 人工心脏瓣膜

　　人工肝 人工肺 人工肾 人工心脏

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　　人造心脏瓣膜

　　人造心脏

　　人造心脏织物内部结构

　　纱布、手套等

　　口罩、手术服等

　　固腰带

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　　2 生物医用纺织品的开发现状

　　2.1 纸尿裤

　　传统棉尿布 优点：透气性好，柔软，价格较低，可重复使用。 缺点：需频繁更换，洗涤、晾晒麻烦，多次使用表面毛糙，易引发尿布疹。

　　一次性纸尿裤 市场空间巨大

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　　婴幼儿纸尿裤市场预测

　　注：按0~2岁婴儿人均需用纸尿裤3片/天计算。

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　　表层 聚丙烯热轧布、纺粘非织造布等 柔软、快速渗透、保持干爽

　　导流层 热塑性纤维或双组分纤维的热粘合纤网 尿液快速转移

　　吸收芯层 绒毛浆加超吸收树脂 大量储存液体

　　背层 PP透气薄膜 防止尿液渗透，隔离

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　　优点

　　缺点

　　干净卫生 表面干爽 吸收强 渗透快 穿着方便

　　抗菌性差 异味大 长时间使用易得尿布疹 一次性产品 处理麻烦

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　　2.2 防护服

　　要求： 良好的过滤阻隔性 抗粒子穿透性 抗静水压 屏蔽性 抗撕裂、抗磨损 拒污 不起绒 无毒 舒适

　　耐用型防护服还要求一定的耐消毒耐洗涤性能。

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　　欧美国家 以涤纶、粘胶等纤维为原料 浸渍粘合法、泡沫浸渍法、热轧法或水刺法 获得手感柔软，抗拉力高，透气性好，“用即 弃”型防护服，避免交叉感染

　　国内一次性用品仅限于口罩、帽子之类，一次性手术衣等防护服使用率很低

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　　国内市场上销售的医用防护服主要有三类:非织造类、涂层类、闪蒸法一次成型类

　　普通非织造防护服 防护效率只有40%

　　纺粘法：切片烘干→切片喂入→熔融挤压→纺丝→冷却拉伸→分丝铺网→纤网加固→后整理→产品 熔喷法：切片→螺杆挤压→热空气牵伸→冷却→成网→后整理→产品 水刺法：原料→混合开松→梳理成网→纤网正反面水刺加固→烘燥→卷取→成品 湿法成网：纤维打浆→布浆器布浆→湿法成网→脱水→烘燥→固结→成卷

　　非织造工艺：

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　　防水性、阻隔细菌粒子性能好，可重复使用但透湿性能差

　　干法直接涂层： 基布前整理→涂层→烘干→焙烘→整理→打卷 转移涂层： 在离型纸上涂敷树脂胶→烘干→涂敷黏合剂 基布前整理 →复合→烘干→剥离→打卷

　　涂层防护服

　　涂层机

　　涂层工艺：

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　　闪蒸法加工技术 目前仍属美国杜邦公司专利 高聚物溶解→制成纺丝液→喷丝→丝条固化→牵伸→凝聚成网→热轧加固→闪蒸法非织造布 质轻、拒水透湿，能有效阻抗干性颗粒物质，但布面屏蔽性能不匀，对血液、体液的阻隔性差

　　闪蒸法一次成型滤材防护服

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　　目前，我国采用《GB19082-2003医用一次性防护服技术要求》标准，以《生物防护服通用规范》作为补充，但仍然不够完善。美国的NFPA 1999要求更为严格。

　　医用防护服的设计要求比较

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　　医用防护服的性能要求比较

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　　美国戈尔(Gore-tex)公司的外科隔离膜类Crosstech EMS织物是唯一一种严格符合防护标准、可重复使用的隔离织物

　　抗渗透、透气CrosstechTM隔离层

　　永久性层压

　　耐久性纺织品

　　兼有物理和美学品质,如强力、耐磨损、颜色、手感、重量等等 ，以及无与伦比的舒适性

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　　2.3 创口贴

　　吸收垫 浸过苯扎氯铵等药物 杀菌

　　弹性胶带 加压止血

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　　优点：压迫止血、防水、保护创面、预防感染、促进愈合，使用简单、携带方便 缺点：只能暂时止血，透气性差，长期使用易导致继发感染

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　　氨纶皱纹弹力绷带 由纯棉纱和氨纶包芯纱制织? 肤感舒适，透气性良好，无致敏性，可消毒，可重洗涤。

　　普通纱布绷带 柔软、透气，固定效果差

　　粘胶石膏绷带 粉状煅石膏、聚乙烯醇、聚醋酸乙烯乳液制成匀浆，涂布于纱布上，烘干，切割而成 硬度高，适应性强，耐高温，高寒，无毒，无过敏

　　2.4 绷带

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　　2.5 固定板

　　高分子聚酯材料 强度高、透气性好、重量轻、不怕水、可降解，且无毒、无味、对皮肤无刺激性 临床上广泛地应用于骨科外固定、康复及矫形支具

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　　2.6 手术缝合线

　　4000多年前，古埃及人用亚麻线缝合伤口

　　公元前1800年，肠线

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　　20世纪50年代，尼龙、涤纶线等

　　20世纪60、70年代，胶原纤维和甲壳素纤维

　　80年代以来，新开发了海藻酸盐纤维、聚乳酸纤维、聚乙醇酸纤维等。

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　　长期以来，外科用可吸收手术缝合线主要是羊肠线和聚乙醇酸缝合线。

　　羊肠线 易产生抗体反应，强度下降过快，吸收时间、张力强度、人体组织反应等因素难以控制。

　　聚乙醇酸缝合线 对细菌抵抗能力差，在空气中易分解。

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　　聚乙交酯 第一个用于可吸收缝合线的聚合物，临床中应用广泛。

　　优点：强度高、生物相容性和可降解性好，可被机体自行吸收和排泄，对人体无不良反应。 缺点：熔点高导致纺丝困难，纤维柔性差，手术过程中可能损伤人体组织。 可采用共聚的方法，在高分子链中引入丙交酯链段，改善其柔顺性。

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　　纯天然胶原蛋白精加工+酶处理 胶原蛋白缝合线

　　纯生物制品，组织相容性好，抗张强度好，与伤口愈合期同步吸收，吸收完全，不留疤痕，在人体内遇盐类物质不形成结石，无毒、无刺激。

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　　人体皮肤大面积损伤时，需要进行植皮。自体皮肤移植来源有限，异体皮肤移植会发生排斥反应。

　　主要性能要求： 与皮肤有良好的亲和性，不发生刺激反应 与伤口有较强的结合力 质地柔软，贴紧性好

　　人造皮肤的作用： 防止水分和体液从创面蒸发流失 隔绝空气，防止伤口感染 加快伤口愈合

　　2.7 人造皮肤

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　　来自包皮环切术的新生儿包皮，经分离获得角质细胞和成纤维细胞

　　角质细胞

　　成纤维细胞

　　将角质细胞或成纤维细胞接种到由生物相容性材料制成的多孔状、网状、成胶状三维结构支架上

　　在密闭反应器中培养细胞，定期更换培养基

　　一段时间后，细胞增殖并分泌胶原物质，形成人造皮肤

　　用于治疗皮肤烧伤或溃疡

　　组织工程皮肤的一般制备过程

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　　合成膜

　　成纤维细胞

　　可生物吸收材料

　　单层人造皮肤

　　角质层

　　角质细胞

　　成纤维细胞

　　胶原

　　双层人造皮肤

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　　制造人造皮肤最具应用前景的是壳聚糖。

　　壳聚糖 + 醋酸(作溶剂)

　　纺丝液

　　纺黏型非织造布 用作人造皮肤

　　壳聚糖粉末

　　水溶性壳聚糖

　　可止血，黏着性强，透气性良好，能隔绝空气，刺激皮肤生长，加速伤口愈合，减少疼痛。

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　　人造皮肤播种技术 将具生长能力的皮肤细胞涂覆于特殊的能保持细胞活性的基质上 再贴敷在伤口上 伤口在愈合过程中自动植皮 该技术尚不成熟

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　　2.8 人造血管

　　人造血管的性能要求： 良好的生物相容性 较高的缝接强度 一定的弹性和柔顺性 一定的表面粗糙度 性能和尺寸的稳定性 切割边缘不脱散或抽丝 可多次消毒 具有止血性 多种形状和尺寸

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　　目前人造血管使用最多的原料是聚酯、聚四氟乙烯纤维。

　　针织人造血管 多孔结构，易与人体组织相容，易渗血 拉绒或预凝结

　　机织人造血管 孔隙较小，较硬挺 常用于心脏周围高压区域的血管置换

　　内径小于10mm的血管，一般采用非织造的方法生产。

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　　人造血管的表征： 1 渗透率和孔隙率 可通过致密化处理和预凝得到改善。 2 人造血管强度 包括径向和纵向拉伸强度、顶破强度、手术线固位强度、重复针刺强度等。 3 人造血管几何特征 通常为圆柱形，由管道的壁厚和松弛内径来描述。 4 对管道内部应力的形变响应性 模拟体内血管承压，测试人造血管在一定压力下的承压内径、纵向和径向顺应性以及弯折直径、半径。

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　　人造血管的新进展

　　1 几种特殊类型的人造血管 a 腔面内衬内皮细胞 b 自体组织片移植 c 复合壁 d 表面抗血栓 2 提高小口径人造血管通畅率 a 改进生物材料表面与血液的相容性 b 材料表面引入生物活性物质 c 人造血管材料的表面伪饰

　　表面改性的血管支架

　　抗凝剂—肝素

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　　2.9 人造骨骼

　　依靠人体体液某些离子形成新骨，在骨骼接合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。

　　最好的人造骨材料 —钛

　　无毒，强度和韧性好，良好的生物相容性，但耐磨性差，缺乏生物活性。

　　钛骨钉

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　　陶瓷人造骨 X射线确定骨骼形状及大小，计算机系统专门定做 精细度达0.1mm，术前2~3小时即可制作完成 细胞组织能继续生长 能否长期保持坚固性还需检验

　　海草人造骨 形成的钙化骨骼，表面布满直径5~10微米的小孔，与天然骨骼相似，尤其适于假牙

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　　磷酸钙和骨胶原人造骨 强度与弹性接近真正的骨骼，可被吸收。 动物身上实验，三个月可再生出新的骨骼

　　生物玻璃纳米纤维

　　生物玻璃人造骨 含磷和钙，接触体液形成磷酸钙层，与原骨牢固结合。 机械强度高，无疲劳现象，无毒无排异反应，具生物活性，加工成型容易。

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　　人造骨新工艺 1 快速成型制造工艺 断层扫描 → 三维数据 → 激光熔粉 → 逐层铸造 节约原材料，精度高，速度快，可制造各种复杂形状的骨骼。 2 等离子体喷涂技术 利用高温等离子火焰在金属复合材料表面喷涂一层几十微米厚的羟基磷灰石。 糅合两种材料的优势，是生物材料研究领域的一大步。

　　等离子体喷涂设备

　　激光熔覆

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　　2.10 人工肾

　　即血液净化装置，代替肾脏功能以脱除代谢废物。

　　选择性透过 适宜的超滤渗水性 足够的湿态强度 良好的血液相容性 安全无毒 性能稳定

　　日本尼普勒透析机

　　国产透析机

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　　目前，空心纤维型人工肾得到广泛使用。

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　　中空纤维横截面及表面微细结构

　　一台中空纤维型血液透析器约由七千多根直径为2×10-5m的中空纤维组成。

　　半透膜性质

　　分离有害物质 净化血液

　　超滤

　　透析

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　　聚丙烯腈纤维

　　再生纤维素纤维

　　醋酯纤维

　　聚乙烯醇纤维

　　用于制备血液净化用高分子膜的材质：

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　　3 生物医用纺织品的发展趋势

　　随着社会经济的不断进步和生活水平的日益提高，健康已成为人类社会最为关注的热点问题之一。 生物医用纺织材料作为与人类生活密切相关的基本物质，在维护人类健康、解除疾患、提高生活质量的医疗保障体系中，占据举足轻重的地位。 一方面作为防护材料，为人类的生活创造出安全健康的微环境，保护人类不受病毒、细菌以及其他有害物质的侵扰;另一方面作为一种多孔的柔性材料，与生物组织有着天然的相容性，已经成为治疗人类疾患必不可少的材料。

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　　3.1 国外生物医用纺织品的研究进展

　　全球医用纺织品市场 每年以10%的速度递增 2010年销量达240万t，总价值达82亿美元 医用纺织品最发达的5个市场依次为: 美国、欧洲(以欧盟国家为主)、加拿大、日本、澳大利亚 5大市场医用纺织品的销量约占世界医用纺织品市场总销量的90%

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　　3.2 国内生物医用纺织品的研究进展

　　新型医用防护品以及人体功能性纺织品 总量约占产业用纺织品总量的10%，2010年消耗量达50万t 限于手术鞋帽、手术衣、防护服等大宗医用纺织品 仿器类植入型生物医用纺织品亟待突破 我国人造血管的年需求量为85万例，实际用量却只有30万例 而且90%以上的临床手术所采用的是进口人造血管

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　　多集中在低端产品，且为一次性产品; 在内植入医用纺织品领域尚为零，如：人工心脏、人工瓣膜、人工肾脏、人造皮肤等; 高端领域无自主话语权，无自主品牌

　　国内市场前景非常乐观，仅医用口罩的缺口高达60%; 已有大企业投产，并具有自主研发高技术含量产品的能力，但总体上，医用纺织品企业规模小，较为分散。

　　我国生产了全球近20%的医用纺织品，由于标准的缺失造成产品先低价出口，检验合格后再高价进口;甚至高技术产品受标准限值而无法进入市场。

　　市场大 规模小

　　产品低端

　　标准的建立

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　　3.3 生物医用纺织品的研究重点

　　3.3.1 原材料领域

　　1 新型医用生物降解纤维材料的研发 甲壳素及其衍生物纤维、胶原纤维、海藻酸纤维、聚乙交酯纤维、聚乳酸(聚丙酯)纤维、聚乙交酯-丙交酯纤维、聚已内酯纤维等。

　　海藻酸纤维

　　胶原蛋白纤维

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　　2 纤维材料化学改性技术 在高聚物大分子上或纤维材料表面接枝生物制剂和治疗药物。 药物释放体系：

　　纳米粒或微粒类

　　水凝胶类

　　微囊类

　　纤维支架类

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　　3.3.2 加工技术领域

　　研究解决当前国内生物医用器件产业化过程中的技术瓶颈问题，重点就可降解医用缝合线、人造血管和功能补片的专用设备开发、工艺参数优化和质量保障体系建立开展研究。

　　1 人造血管及其支架的生产 较为常见的是机织或经编涤纶人造血管以及膨体聚四氟乙烯血管。

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　　2 人造血管的评价与评估

　　体内测试

　　(Gp:) 体外测试

　　新型人造血管

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　　纺织品基本特性

　　生物力学性能

　　化学性能

　　密度、厚度等可用传统方法测试 影响渗血和体内愈合的空隙度指标，值得进一步探讨。

　　血液渗透、顶破和胀破、拉伸、顺应和弹力、缝合损伤以及摩擦和磨损等行为，模拟体内环境，开发检测应用性能的技术和装置

　　电子光谱法、红外线光谱法、差动扫描热量测定法、萃取法等

　　体外测试

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　　体内测试

　　样品及对照样 植入动物体内 定期血管造影或取出假器 形态学分析和组织学分析 研究生物相容性、愈合性能、材料的体内稳定性、内膜生长情况、通畅度等

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　　(Gp:) 产品

　　(Gp:) 市场

　　技术

　　3.4 生物医用纺织品的市场前景

　　提高竞争力、建立自主品牌、主导市场

　　政府、行业协会主导

　　企业自主创新

　　校企合作

　　管理、营销标准

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　　(Gp:) 医疗卫生纺织品的重要发展方向： 人工肾 人造血管 可吸收缝合线 医用防护服 医疗防护用品 高端技术领域的人造器官

　　机遇

　　纺织行业“十一五”科技攻关项目： 人工肾的开发 防蚊纺织品的产业化

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　　4 仿生结构复合小口径人造血管研制

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　　血管—人体内重要器官之一

　　动脉

　　静脉

　　毛细血管

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　　血管治疗—血管移植或搭桥

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　　涤纶人造血管

　　PTFE人造血管

　　临床上使用的人造血管

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　　◆移植后两年的通畅率69%。 ◆移植后五年的通畅率39%。 ◆造成小口径人造血管失败的主要原因是血栓的形成和吻合口处的组织增生导致血管堵塞。

　　ePTFE小口径人造血管通畅率

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　　聚氨酯—研究热点高分子之一

　　(Gp:) 聚氨酯 材料

　　(Gp:) 顺应性

　　(Gp:) 耐磨性

　　(Gp:) 生物相容 性

　　(Gp:) 一定的抗凝血性

　　(Gp:) Polyurethane

　　(Gp:) 良 好

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　　(Gp:) 存在的难点

　　(Gp:) 可缝合性差

　　(Gp:) 自支撑力差

　　(Gp:) 形成血栓

　　小口径聚氨酯人造血管的难点

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　　不同材料人造血管的性能

　　不同材料人造血管的对比

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　　仿生结构小口径人造血管设想

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　　管状织物为支架功能型小口径 人造血管的制备

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　　超细丝素蛋白粉体的制备

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　　粉体粒径分布

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　　携药丝素粉体的制备

　　(Gp:) 实心丝素粉体

　　(Gp:) 载药中的粉体

　　(Gp:) 携药丝素粉体

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　　小口径管状织物的制备

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　　人造血管的制备

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　　人造血管与人体股动脉血管进行比较

　　制备的小口径人造血管与人体股动脉血管在管径和壁厚上均十分接近

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　　人造血管最大径向强度

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　　人造血管径向顺应性

　　Cd=

　　×100%

　　Cd——人造血管径向顺应性; ΔD——血管直径随着压力增加(ΔP)时的变化; D——在没有压力条件下血管直径。

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　　人造血管径向顺应性测试

　　血管径向顺应性测试示意图 1：容器;2：离心泵;3：流量控制阀;4：人造血管;5：激光測径仪; 6：血管固定架;7：生理压力转化仪;8：流量剂;9：硅胶管。

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　　丝素粉体对人造血管顺应性的影响

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　　PU/NSFP血管壁的生物相容性

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　　细胞种植在PU/NSFP复合膜表面

　　(Gp:) PU/NSFP复合膜平铺在培养板中 将一定数量的脐静脉内皮细胞种植在复合膜的表面 培养72h后进行观察

　　(Gp:) 1

　　(Gp:) 2

　　(Gp:) 3

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　　细胞在PU/NSFP膜表面的增殖

　　NSFP 0%

　　NSFP 10%

　　NSFP 30%

　　随着丝素粉体含量的增加，PU/NSFP表面细胞的数量增加。

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　　PU/NSFP复合膜生物相容性表征

　　PU/NSFP复合膜包埋在大鼠肌肉层

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　　体内衡量PU/NSFP复合膜的生物相容性

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　　(1肌纤维: ; 2: 炎性细胞; 3: 纤维组织; S: 丝素蛋白粉体.)

　　参比样

　　(b) PU/NSFP 10/0

　　(c) PU/NSFP 5/5

　　(d) PU/NSFP 3/7

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　　PU/NSFP膜在大鼠体内的HE染色生物切片

　　PTFE

　　PU/NSFP 50/50

　　C: PTFE ; D:伪膜; E: 正常的肌肉组织; F: PU/NSFP ; G: 炎症细胞.

　　C

　　D

　　E

　　F

　　G

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　　PTFE

　　PU/SFP 50/50

　　C: PTFE ; D: 炎性细胞; E: 平滑肌细胞

　　D

　　E

　　D

　　C

　　PU/NSFP 与周围组织的透射电镜图片

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　　A: PTFE; B: PU/SFP 50/50 .

　　A

　　B

　　(Gp:) C

　　(Gp:) D

　　(Gp:) C

　　(Gp:) E

　　(Gp:) F

　　(Gp:) G

　　C: PTFE ; D: 伪膜; E: PU/NSFP F: 炎性细胞; G: 巨噬细胞

　　PU/NSFP 与周围组织的SEM图像

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　　血管在狗体内的长时间通畅率

　　该实验在武汉协和医院动物房内完成，手术全过程由武汉血管外科主治医师欧阳晨曦教授操作。

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　　血管移植6个月后进行核磁共振检查 图中B段为移植的人造血管

　　狗颈动脉核磁共振图像

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　　谢谢大家!

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