海藻纤维在医疗和防护纺织品中的应用_展义臻

第 ２８ 卷第 ５ 期
２００６ 年 ５ 月
展义臻等：海藻纤维在医疗和防护纺织品中的应用
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专论与综述
海藻纤维在医疗和防护纺织品中的应用
展义臻，朱 平，张建波，郭小青 （ 青岛大学化工学院，山东青岛 ２６６０７１）
摘要： 海藻纤维以其优异特性（高吸湿成胶性、整体易去除性、高透氧性、生物相容性、生物降解吸收 性、高离子吸附性）以及环保的生产工艺已在医疗行业作为医用纱布、敷料等得到广泛应用，并显示出作为 防护织物的潜力。文章主要介绍了海藻纤维的制备方法以及高吸湿性、抗菌除臭、远红外辐射和调温等功能 性医用海藻纤维；电磁屏蔽和抗静电、阻燃等防护性海藻纤维。
Ｃａ２＋
图４ Ｇ单元与Ｃａ２＋形成的蛋盒结构的大分子片段
现阶段海藻纤维一般应用湿法纺丝，制备过程 主要为：将可溶性海藻酸盐（铵盐、钠盐、钾盐）溶于
ｌ９４４ 年 ，Ｓｐｅａｋｍａｎ 和 Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ〔８〕就 对 海 藻 酸 纤维的生产工艺作了详细的报道，通过与海藻酸钙
水中形成粘稠溶液，脱泡后通过喷丝孔挤出到含有 进行离子交换，用多种金属离子置换初生纤维上的
由于创伤病人的免疫功能下降，伤口在愈合过 程中易被细菌等感染，易产生不愉快的气味，严重 影响伤口的愈合速度和治疗环境。抗菌海藻纤维的 制备主要是利用抗菌金属离子（如毒性低的银离 子）或生物降解性和相容性好的天然抗菌剂（如壳 聚糖、芦荟等）〔１１〕。异味去除主要采用物理法和覆盖 法。物理吸附主要是利用施加在纤维上的吸附剂的 吸附作用，使异味分子从环境中转移到织物上从而 消除，常用的吸附剂有硅胶、沸石、活性炭、空心炭 粒、氧化铝等。掩盖法是在纺织品上施加气味比异 味更为强烈的香味，以掩盖异味，使人们感觉不到 异味的存在，常用的主要是对皮肤刺激性小的香 精，植物提取物等。
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构，流体的散布被停止了，海藻酸盐绷带的所谓“凝 胶阻塞”性质，使得伤口渗出物的散布、对健康组织 的浸溃作用大大的减少了。 １．１．５ 生物降解性和相容性
海藻酸盐纤维是一种生物可降解的纤维，这就 解决了对环境污染的问题。其生物相容性使其在作 为手术线时可不经二次拆线，减少了病人的痛苦。 １．２ 制备工艺
海藻酸纤维吸湿后形成亲水性凝胶，与亲水基 团结合的“自由水”成为氧气传递的通道，氧气通过 吸附－ 扩散－ 解吸的原理从外界环境进入伤口内环 境；另外纤维内的高Ｍ段作为纤维的分子骨架形成 氧气进入的空穴。 １．１．４ 凝胶阻塞性质
海藻酸盐绷带与渗出液接触时，纤维大大的膨 化，大量的渗出液保持在处于凝胶结构的纤维中。 此外，单个纤维的膨化，减少了纤维之间的细孔结
因为海藻酸为多糖类大分子聚合物，聚合物燃 烧时发生的热分解主要为链式解聚和无规分解两 类．链式解聚是单体单元从链端或最弱链点相继脱 开，实质上是链式聚合的反演，通常称为逆增长或 解链，解聚反应在临界温度点发生；发生无规分解 时，在链上任意位置发生链断裂，生成比单体大的 各种形状的碎片。这两类热分解可以同时发生，也 可以分别发生，但通常是同时发生的〔２５〕。
关键词： 海藻纤维；抗菌除臭；电磁屏蔽；医疗织物；防护纺织品 中图分类号：ＴＳ１９０．１１１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５－ ９３５（０ ２００６）０５－ ０００１－ ０４
人 们 的 环 保 意 识 不 断 加 强 ，２１ 世 纪 “ 绿 色 服 装”、 “绿色消费”将主导世界纺织品和服装潮流。合 成纤维主要原料是石油，属于不可再生资源，且生 产中的高消耗、高污染等问题使得合成纤维面临很 大的压力。因此各国都在花大力气开发可生物降 解，集自然与美观、舒适与健康于一体的天然环保 型新纤维品种〔１〕。
高价金属离子（镁离子除外，一般为钙离子）的凝固 钙离子，从而制成诸如海藻酸铁、海藻酸铝、海藻酸
浴中，形成固态海藻酸钙纤维长丝。该长丝经过拉 伸、水洗、干燥、卷曲形成纤维。纤维经分离、梳理和 铺层而制成连续的非织造布。有些情况下可经过针
铜等不同的海藻酸纤维。海藻纤维中Ｇ／Ｍ的比例不 同，制备的海藻纤维的吸湿性会有很大的不同。Ｍ 单元和多价金属离子形成离子结合，钙离子在溶液
１ 医用海藻纤维的性能与制备
１９６２ 年 ，英 国 人 Ｗｉｎｔｅｒ 发 现〔４〕，当 处 在 一 种 潮 湿的环境下，伤口的表面愈合比在干燥的情况下要 快。潮湿的环境加快了表皮细胞从健康的皮肤向伤 口 的 涌 移 ，从 而 加 快 了 伤 口 的 愈 合 速 度 ，在“ 湿 疗
收稿日期：２００５－ １２－ １４ 作者简介：展义臻（１９８１－ ），男，在读硕士研究生，研究方向 为医用海藻纤维的制备及其功能化改性
ＨＯ
－ ＯＯＣ
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ＯＨ
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Ｏ Ｏ ＨＯ
ＯＨ
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－ ＯＯＣ
Ｇ－ Ｇ
ＯＨ Ｏ ＨＯ Ｏ － ＯＯＣ Ｍ－ Ｍ
图２ 海藻酸结构式
海藻酸钠很容易与某些二价阳离子键合形成
水凝胶，它是典型的离子交联水凝胶。在海藻酸钠
水溶液中加入Ｃｕ２＋、Ｚｎ２＋、Ｃａ２＋、Ｓｒ２＋、Ｂａ２＋等阳离子后，
Ｇ单元上的Ｎａ＋与二价金属离子发生离子交换反应，
纤维素）进行共混纺丝。Ｍａｓａｈｉｒｏ Ｔａｃｈｉ〔９〕制备吸湿
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性医疗敷料和绷带，而且吸湿后可以隔绝或阻止细 菌的进入，防止伤口的感染；Ｏｔｓｕｋａ Ｔ〔１０〕制的锌／钙 海藻纤维，有明显的抑菌效果和消肿效果。 ２．２ 抗菌、除臭医用海藻纤维
刺使纤维互相交缠而增加强力，然后将非织造布切 割成所需尺寸，最后检验、消毒和包装〔７〕。
中易被钠离子取代，成胶吸湿性大；而Ｇ单元与多价 金属离子主要形成配位和螯合结构，与钠离子交换
２ 医用海藻纤维的种类
比例小。现阶段解决的主要办法为制备钙／钠海藻 纤维，或将海藻酸钠与其它高吸湿原料（如羧甲基
２．１ 高吸湿医用海藻纤维
远红外线极易被水分子吸收，所以当远红外线 照射人体时，就会发生吸收、透射、反射过程，这一 过程科学家称之为“生物共振”〔１５〕。陈华光〔１６〕等采用 红外线照射伤口感染和溃疡后所产生的内热效应 能调节人体生物电场及神经血管功能，使溃疡病变 部位组织血管扩张，微循环营养状况改善，新陈代 谢加快，减少细胞组织缺氧状态，促进组织间炎性 渗出物的吸收，从而增强组织的修复和再生功能， 起到消炎消肿、止痛、减少渗透，促进肉芽与上皮细 胞的生长，促进伤口愈合〔１７〕。在纤维加工过程中，添 加远红外吸收剂可制得永久性远红外纤维。远红外 添加剂可在纺丝工序中加入〔１８〕。
Ｇ单元与Ｃａ２＋形成蛋盒（ｅｇｇ－ ｂｏｘ）结构，Ｇ基团堆积而
形成交联网络结构，从而转变成水凝胶纤维而析
出。作为医用材料使用时通常选用Ｃａ２＋作为海藻酸
的离子交联剂。
－ ＯＯＣ
Ｏ ＯＨ
Ｏ
ＯＨ
Ｏ
Ｍ－ Ｇ
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Ｏ Ｃａ２＋
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Ｏ ＯＨ
பைடு நூலகம்Ｏ －Ｏ ＨＯ
Ｏ 海藻酸与钙离子的蛋盒结构
图３ Ｇ单元与Ｃａ２＋形成的蛋盒结构
烧伤、创伤病人因为体温受外部环境影响很大， 所以如何维持其体温恒定受到人们的关注〔２０〕。利用 调温材料起到平衡温度的作用，使温度不会太高，也 不会太低，还可以通过动态的气候控制来调节材料 内部的相对温湿度。这类性质适合于绷带和纱布等 材料，因它能减少排汗，提高舒适感〔２１〕。所以将海藻 纤维制成透气且随外界温度变化的医用敷料等会对 伤口的愈合速度与效果都有很好的辅助作用。
２１世纪将是海洋的世纪，对海洋资源的利用将 进入更深的领域，预计到２ｌ世纪末人类从海洋蓝色 农牧场中收获的“蓝色食品”将超过陆地“绿色食 品”〔２〕。在纺织产业以海洋生物虾、蟹等甲壳为原料 的甲壳质和壳聚糖纤维，因其各种优异的性能已在 纺织业得到了广泛的应用。近几年海藻纤维因其各 种优异性能在医用领域得到了关注〔３〕。
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离子，既具有防电磁波的功效，又能消除静电，平衡 人体电位，还有抗菌和保温多种功能〔２４〕。
而海藻酸钠在水溶液中存在着－ ＣＯＯ－ ，－ ＯＨ 基 团，能与多价金属离子形成配位化合物。海藻酸钠 溶于水中形成粘稠溶液，然后通过喷丝孔挤出到含 有多价金属离子的凝固浴中，形成固态海藻酸钙纤 维 长 丝 ， 只 要 改 变 凝 固 浴 中 金 属 离 子 的 种 类 ，如 Ｂａ２＋、Ｚｎ２＋、Ａｌ３＋、Ｃｕ２＋、Ｐｂ２＋、Ｈｇ２＋、Ｎｉ２＋、Ａｇ＋ 等，海藻酸中 的Ｇ结构螯合多价金属离子，形成稳定的络合物。笔 者认为形成的海藻酸纤维可以作为多离子织物用 于制备电磁屏蔽织物。原因可能是离子在纤维基质 中含量增加到一定程度时，离子间的结合力增强， 足以克服离子间的静电斥力作用而使其相互连接 起来，形成导电粒子链，提高了织物的电磁屏蔽和 抗静电能力。 ３．２ 阻燃海藻纤维
海藻酸钠是海藻纤维的主要制备原料，海藻酸
是一类从褐藻中提取出的天然线性多糖，由１－ ４键
合的β－ Ｄ－ 甘露糖醛酸（Ｍ单元）和"－ Ｌ－ 古罗糖醛酸
（Ｇ单元）残基组成〔６〕。
ＣＯＯ－
ＯＨ ＯＨ
Ｏ ＯＨ ＯＨ
ＣＯＯ－ ＯＨ
ＯＨ
Ｏ ＯＨ ＯＨ
甘露糖醛酸（Ｍ）
古罗糖醛酸（Ｇ）
图１ 海藻酸钠的Ｇ、Ｍ单元
－ ＯＯＣ
３ 防护性海藻纤维
３．１ 电磁屏蔽、抗静电海藻纤维〔２２〕 高科技的电器产品如手机、电脑、电视机在给
人们带来便利和享受的同时，电磁辐射产生的问题 也日益严重。为减少和避免电磁辐射对人体造成的 伤害，电磁屏蔽织物的需求将越来越大。国内外现 已研制出用涂层法、电镀法及复合纺丝法制造的电 磁屏蔽织物。
近年来多离子电磁屏蔽织物越来越引起人们 的重视〔２３〕。多离子织物是当今国际最先进的第六代 屏蔽电磁辐射材料，是目前屏蔽低、中频段电磁辐 射最先进的民用防护材料。多离子织物采用目前国 际最先进的物理和化学工艺对纤维进行离子化处 理，将有害的电磁辐射能量通过织物自身的特殊功 能转变成热能散发掉，从而避免了环境二次污染， 净化了空气。由于织物中含有大量金属阳离子，可 起到杀菌除臭作用，对皮肤无刺激，有助人体表皮 微循环；同时具有防静电、防部分Ｘ射线及紫外线等 功能。由其制作的防护服不仅具有可靠的安全防护 性，还具有优良的服用性。如孙世濂、陈青鹏等制备 的电磁屏蔽织物中含有银离子、铜离子、镍离子、铁
远红外纤维制备的具体方法是，把远红外粉分
散于与成纤聚合物具有很好相容性的媒介物中，再 与纺丝原液或聚合物熔体或溶体相混合进行纺丝。 从纤维结构上可将远红外纤维分为两类，一类是远 红外粉在成纤聚合物截面上均匀分散的单一组成纤 维，另一类是具有一个或多个芯层结构，或桔瓣形的 复合纤维〔１９〕。因为海藻纤维是在室温下采用湿法纺 丝，可以将远红外陶瓷粉末直接加入纺丝液，在分散 剂的作用下使其均匀分散，然后进行纺丝成型，从而 制备具有促进伤口愈合功能的远红外海藻纤维。 ２．４ 调温医用海藻纤维
平 击 孝 夫 等〔１２〕 用 海 藻 酸 钠 和 丁 香 水 、肉 桂 油 等精油组成混合溶液制备的有抗菌和芳香效果的 海藻纤维，对大肠菌和表皮葡萄球菌具有抗菌性； 德国Ｚｉｍｍｅｒ公司的全资分公司Ａｌｃｅｒｕ－ Ｓｃｈｗａｒｚａ公 司新开发一种具有抗菌功能的Ｌｙｏｃｅｌｌ－ 海藻酸纤 维，在服装穿着、洗涤、干洗过程中不受任何影响， 并能抑制大多数种类的细菌，又对人体无任何副作 用〔１３〕；ＹｉＭｉｎ Ｑｉｎ〔１４〕将银离子加入海藻酸的纺丝液 中，制得高吸湿抗菌海藻纤维。 ２．３ 远红外医用海藻纤维
法”的原理指导下以海藻酸纤维为基础的医用敷 料、纱布、绷带便得到了广泛的应用。 １．１ 海藻纤维作为医疗用材料的特点〔５〕 １．１．１ 高吸收性
可以吸收大量的渗出物，致使换绷带的时间间 隔延续一段较长时间，减少换绷带的次数，减少护 理时间，降低护理费用。 １．１．２ 易去除性
海藻酸盐纤维与渗出液接触后，大大地膨化而 形成了柔软的凝胶。高Ｍ海藻酸盐纤维可以通过用 温热的盐水溶液淋洗来去除；高Ｇ海藻酸盐绷带在 治愈过程中，膨化较小，可以整片的拿掉，这对伤口 新生的娇嫩组织有极大的保护。 １．１．３ 高透氧性
海藻酸纤维自身具有阻燃性，目前还没有文献 对其阻燃机理进行详细的报道。笔者认为海藻酸纤 维的阻燃性主要是和其自身的羧基以及含有的金 属离子有关。以海藻酸钙纤维为例，①大分子中含 有钙离子，可能含有钠离子，在海藻纤维的燃烧过 程中就可能生成碱性环境，再者由于多糖环上含有 羟基基团，在碱性环境和羟基基团的共同影响下， 海藻酸大分子极易发生脱羧反应，生成不燃性ＣＯ２ 而冲淡可燃性气体的浓度；②可能生成ＣａＯ和Ｃａ－ ＣＯ３沉淀而覆盖于纤维大分子表面，发生覆盖或交 联作用〔２６〕，在二者共同作用下产生阻燃效果。