生物材料为医用非织造布创新带来机遇

设计用于与生物系统相互作用的生物材料——许多具有多功能特性——在与生物组织和器官接触时，对提供诊断和治疗能力起着至关重要的作用。基于纤维的医疗应用包括先进药物输送、支架和其他植入器械、组织再生支架和伤口护理。医疗进步的驱动因素意味着，为满足广泛的临床需求，改进的生物材料配方以及加工方法，是开发和制造新型医疗产品形式的一个不断增长的领域。

 

一些生物材料与其对现有纤维纺丝和纺织品加工方法的相容性已得到充分确立，而另一些则作为纤维或涂层的组分被结合在混合聚合物配方中。某些无机化合物可以直接转化为纤维和织物，或者可以作为分散的纳米粒子与纤维结合。通常，天然生物聚合物和合成聚合物被用作制造纤维和长丝的材料——单独使用，或作为混合聚合物配方中的添加剂——织物和多孔涂层。

天然聚合物提供优异的生物相容性，适用于一系列应用，包括伤口护理和组织工程，可分为：
多糖：例如藻酸盐；纤维素，包括羧甲基纤维素（CMC）；再生纤维素；壳聚糖；果胶、透明质酸和糊精。
多肽：例如胶原蛋白、明胶、纤维蛋白和各种形式的丝。

合成聚合物包括：脂肪族聚酯和共聚酯（包括PLA、PGA、PLGA、PCL、PHAs和PHBs）；聚酐；聚烯烃（包括PE、HDPE和UHMWPE，以及PP）；PVOH；聚酰胺、聚碳酸酯和聚氨酯。

生物聚合物的多功能性已得到公认，在这些合成聚合物中，PLGA的可控降解特性使其适用于药物输送应用，而PP的强度意味着它被广泛用于缝合线和类似器械中。生物基合成材料（如BioPP）的开发也势头强劲。它们通常来源于甘蔗、糖蜜或植物油，可提供与PP相同的性能水平，并且针对生物基PP的研究和开发使其可用于生产纤维、薄膜和纳米粒子。但需要进一步的研究来提高生物基含量并优化商业规模的生产。生物聚合物的广度存在局限性，每种材料配方都需要考虑一系列因素：物理性能、法规要求、成本因素以及与适当纤维或纺织品制造平台的相容性，以及应用的具体需求。

 

发展挑战

开发用于临床的生物材料可能会引发重大问题，特别是在不同规模下加工和制造成纤维和织物时，这通常需要专业技术、工艺改进和专业知识。这些因素会显著增加开发成本并延长产品上市时间。关于满足法规要求的关键问题需要在所有阶段进行仔细规划。基础设施有限（缺乏进行端到端生物材料开发的设施）可能是一个重大挑战。

 

 

生物相容性可以在实验室环境中进行研究，但长期的安全性和性能也必须得到解决。关于材料选择的考量至关重要。海藻酸盐和胶原蛋白等材料对加工条件（如温度、pH值和离子强度）敏感，过度加工会使蛋白质变性或改变分子结构，从而影响材料的功能和性能。在加工过程中控制高亲水性生物材料的水分含量也具有挑战性，但对于在最终应用中保持其结构完整性和性能至关重要。用于医疗应用的许多生物聚合物缺乏固有的机械强度，需要通过共混或交联进行增强，以实现柔韧性和耐用性之间的必要平衡。

 

静电纺丝与伤口护理/组织工程

迄今为止，用于生物材料和医疗产品的先进纤维和织物的主要工艺重点涉及电纺膜，特别是用于伤口敷料、伤口护理以及组织工程和再生。

正如Sara Baptista-Silva所指出的，“静电纺丝方法被认为是生产适用于伤口敷料的纳米纤维的最有效方法，因为该技术也适于长期向局部组织递送生物活性化合物……”

考虑到由于持续使用抗生素而产生的多重耐药细菌问题，他们指出开发具有纳米结构纤维的材料，这些材料可以容纳具有抗菌性能的化合物。至关重要的是，在考虑药物释放时，“……考虑到各种材料的内在功能和物理化学性质的差异，选择合适的材料或聚合物在设计和开发药物释放型纺织品中起着至关重要的作用。”

在考虑再生医学和组织工程时，有与静电纺丝非织造布相关的两个因素，首先是：“具有高比表面积的超细纤维网络类似于天然的细胞外基质。具有递送生物活性成分（如抗生素、生长因子和化疗药物）能力的非织造布已被证明可以加速或抑制组织再生和重塑过程中的某些活动。”然而，也有人指出，“由于孔径小，细胞通过纳米纤维的渗透仍然是这种方法的主要限制。”

 

静电纺丝非织造布在这些医疗领域提供了显著的优势——特别是考虑到上述与细胞外基质的相似性——以及精确控制一系列参数（包括孔隙率和纤维直径）的能力。话虽如此，静电纺丝工艺在医疗和商业上都存在局限：相容的生物材料范围有限以及大规模生产纤维的能力有限。

 

超越静电纺丝的机遇

除了通过静电纺丝从聚合物溶液生产纳米纤维网之外，其他用途广泛的纤维纺丝和织物成型方法常常被忽视，但它们有能力生产性能更好的产品。

这包括将生物材料湿法纺丝、干法纺丝、干湿法纺丝和凝胶纺丝成连续长丝或短纤维。对于热塑性聚合物，熔体纺丝可有一系列医疗应用，例如在药物输送中控制释放治疗剂。根据应用情况，熔体纺丝可能具有成本效益，因为它适合大批量生产。

无论考虑到一系列参数后确定哪种生产工艺最合适，随后都可以采用多种织物成型技术，具体取决于最终产品所需的结构性能关系，并且可以实现高重现性和生产速度。干法成网、湿法成网和纺丝成网非织造布，随后进行适当的纤网加固，可以非常经济有效地由生物材料制成三维多孔织物，而这些生物材料用其他工艺制造可能具有挑战性。

除了纤维和织物制造之外，纺织品基材及其制造材料也可以被改性。功能化是一个关键的创新领域。通过在分子水平以及纤维和织物水平上对生物材料进行改性，可以增强物理性能从而提高性能，定制材料以满足精确的临床需求。

 

结语

在考虑生物相容性以及生物材料设计开发的早期阶段，与非织造布专家合作至关重要，他们拥有专业知识和设施来管理端到端原型制作需求，并为商业生产决策（例如围绕可扩展性）提供建议。这需要具备管理聚合物配方、纤维、长丝、薄膜和涂层的能力，并进行性能验证和基准测试。

将生物纺织品用于组织工程和再生医学的主要障碍，是将最先进的纺织机械、新型生物材料和生物学进步结合起来，以创建结构先进的组织、器官和电子纺织品。生物材料加工的发展为创新提供了一个令人兴奋的前沿。除了生物材料配方外，将生物材料加工成最终纺织品形式的替代方法为改进诊断和治疗设备奠定了基础，这些设备满足法规要求并重新定义患者护理标准。

 

来源：编译自Nonwovens Industry杂志
     作者：Jack Eaton, NIRI

 

来源：荣格-《国际非织造工业商情》

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