海藻酸鹽纖維在生物醫用領域的研究進展

宋丹青 魏 亮 孫潤軍 張一心 張昭環

（西安工程大學，陜西西安，710048）

近年來，隨著人們對綠色健康生活方式的追求和環境保護意識的逐漸提高，綠色、科技、時尚成為現代產業發展的新理念，具有綠色環保特征的纖維材料成為當前的研究熱點。海藻酸是一種來自海藻植物的高分子羧酸，由糖醛酸單體聚合成的線性多糖構成，分子式為（C6H8O6）n，其相對分子質量在1萬～60萬之間，在紅藻、綠藻、褐藻、馬尾藻等海藻細胞的細胞基質和細胞壁中都可以提取到海藻酸［1］。

濕性療法理論研究表明，在合適的濕潤環境下傷口具有更好的治療效果，這一發現擴大了海藻酸鹽纖維在醫學上的應用［2］。海藻酸鹽纖維中多價金屬離子易與傷口滲出液中的鈉離子發生離子交換，形成柔軟濕潤的凝膠，隔離外界灰塵和細菌，同時能夠釋放被封閉的羥基，吸濕基團增多，吸濕性能好，創造生理濕潤的微環境，促進傷口愈合，防止傷口感染［3-4］。并且海藻酸鹽纖維具有無毒、抑菌、止血、促進傷口愈合等特性，擁有良好的生物相容性和可降解吸收性，相比傳統醫用材料更有優勢［5］。海藻酸鹽纖維因其獨特的性能被加工成織物、無紡布和各種復合材料等用作醫學用品，如可吸收縫合線、止血材料、促愈合材料、組織工程支架和藥物緩釋材料等［6-8］。

1 海藻酸鹽纖維的結構

海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸（M基團）和α-L-古羅糖醛酸（G基團）兩種結構單元組成的線性聚陰離子型多聚糖，大分子鏈以M-M、G-G、M-G、G-M等多種形式排列組合，通過1-4糖苷鍵連接而成［9］。M片段具有一定柔韌性，空間位阻較大，結構較為緊密，在溶液中易被鈉離子取代，較難維持穩定的交聯結構；G片段具有一定的剛性，有利于在溶液中發生離子交換和分子交聯，與多價金屬離子主要形成配位和螯合結構，穩定海藻酸鹽分子結構［10］。G與M在C-5位結構上有所差別。海藻酸鹽纖維的性質在一定程度受到G、M片段在分子中的比例、位置和組合排列方式的影響，同時也受到結構的影響。海藻酸鈣纖維電鏡照片如圖1所示。從縱向觀察，纖維呈圓柱狀，比較順直，幾乎沒有扭曲，纖維表面有很多片狀突起和陰影凹槽，一些較深的凹槽會在纖維上產生較大的裂紋，造成纖維力學性能差、抱合力不足和加工困難；橫截面邊緣呈鋸齒狀，結構相對松散，內部有許多不同大小的縫隙和孔洞，使纖維擁有較好的透氣性和透濕性［11］。

圖1 電子顯微圖

2 海藻酸鹽纖維的性能

2.1 高吸濕性

海藻酸鈣纖維無定形區較大，結構中有著大量的羥基和羧基，容易與水分子形成氫鍵，標準環境條件下的回潮率為22%～26%。海藻酸鈣纖維具有高吸濕性和吸液性，膨潤性好，最大能吸收大于自己體積20倍的液體，比一般纖維的吸濕能力更強［12］。

2.2 凝膠性和高透氧性

海藻酸鈣纖維在與人體模擬液接觸時，Ca2+與Na+交換的同時和大分子中的羥基上多個O原子進行螯合，形成一種穩定的“蛋盒結構”，海藻酸鈣部分被轉換成海藻酸鈉，纖維高度膨脹后形成纖維狀的水凝膠［13］。在作為敷料接觸皮膚時，外界中的氧氣可以通過水凝膠中與親水基團作用的“自由水”傳遞到傷口內環境中，具有高透氧性，提供一個濕潤和含氧的條件，有利于傷口愈合，在去除時也不易造成二次損傷［14］。

2.3 抗菌性

海藻酸鹽纖維中含有酚類、脂類、多糖類等多種抗菌活性物質，纖維吸濕后高度溶脹形成水凝膠，纖維之間的空隙受擠壓后變小，細菌活動范圍受限，抑制其活性和繁殖能力，降低傷口感染的可能性［15］。海藻酸鹽纖維與巨噬細胞接觸后，釋放出的腫瘤壞死因子（TNF-α，又稱惡病質素）對抗菌性也有一定的增強作用［16］。

2.4 生物相容性和可降解性

海藻酸鹽作為天然高分子材料，其多糖結構和親水特性是其具有良好生物相容性的主要原因［17］。海藻酸鹽纖維在一定時間內能被微生物降解成二氧化碳和水，屬于可生物降解纖維，綠色環保。

2.5 阻燃性及防輻射性能

海藻酸鹽纖維具有阻燃性是因為纖維中含有二價或三價金屬離子［18］。ZHANG Fengqi等［19］在加入聚酰胺纖維中加入質量分數為50%的海藻酸鈣纖維，混紡織物在燃燒時沒有出現任何熔滴現象，且離火自熄，具有良好的阻燃安全性。海藻酸鹽中的羧基和羥基基團在水中與多價金屬離子形成配位化合物，當金屬離子含量達到一定程度時可以克服離子間的靜電斥力作用而形成導電粒子鏈，使纖維具有防靜電和電磁屏蔽的能力［20］。

3 海藻酸鹽纖維的制備

海藻酸鹽纖維的理化性能與紡絲過程中的各種工藝條件緊密相關。海藻酸鹽纖維通常是經過濕法紡絲制備而成，具體過程：將海藻酸鈉粉末溶于水得到具有一定濃度的海藻酸鈉溶液，過濾后進行脫泡，然后將紡絲液擠出噴絲頭，進入到凝固浴中（一般情況下采用一定濃度的金屬鹽水溶液作為凝固浴），海藻酸鈉中的鈉離子與金屬離子發生離子交換，形成海藻酸鹽纖維，后續經過拉伸、干燥，形成纖維絲束。在紡絲過程中涉及的各種組分均安全、無害，但不易改變工藝參數，容易出現纖維黏絲、并絲、糾纏等問題，力學性能較差。

靜電紡絲技術能夠直接獲取納米纖維，其直徑在幾十納米到幾微米之間，具有比表面積高、孔隙率大的特點，也被用來開發制備微尺度的海藻酸鹽纖維。由于純海藻酸鈉是聚電解質，在水溶液中電導率較大，需要與其他聚合物共混制備海藻酸鹽復合纖維。馮燕等［21］采用靜電紡絲方法制備了海藻酸鈉/聚乙烯醇/銀復合纖維，探究了海藻酸鈉/聚乙烯醇質量比、含銀量、紡絲電壓、紡絲液流速、接收距離等不同參數對纖維直徑分布及形態的影響，在最佳參數下得到了直徑為208 nm的復合納米纖維。除此之外，近年來微流紡絲技術也被用來制備海藻酸鹽微纖維。MARCO A等［22］將海藻酸/明膠溶液和海藻酸鈉/膀胱基質溶液從兩個入口通入到自制芯片中，出口用氯化鋇溶液收集，成功制備出海藻酸鹽復合纖維，用來誘導和調節成骨細胞分化與功能。

3.1 普通海藻酸鹽纖維

在1944年，就有學者對海藻酸鈣纖維進行處理，使用多種金屬離子置換海藻酸鈣初生纖維上的鈣離子，從而制成海藻酸鐵、海藻酸鋁、海藻酸銅等不同的海藻酸鹽纖維［23］。朱平等［24］配置質量分數為5%的海藻酸鈉溶液，真空靜置脫泡后，通過質量分數為4.5%、溫度為40℃的CaCl2凝固浴中，經過3次后拉伸，利用濕法紡絲技術制備出海藻酸鈣纖維。

3.2 高吸濕海藻酸鹽纖維

當海藻酸鹽纖維加工后作為醫用敷料使用時，與傷口接觸的過程中，如果能夠吸收大量滲出液，纖維中的鈣離子則更容易與鈉離子發生交換形成水凝膠，因此提高海藻酸鹽纖維的吸濕性十分重要。通過將海藻酸鈉與其他吸濕性較好的材料共混可以制得吸濕性能優異、力學性能良好的共混纖維。舒泉水等［25］利用靜電紡絲法制備纖維直徑在200 nm～500 nm的聚乙烯醇/海藻酸鈉/甲基丙烯酸縮水甘油酯復合納米纖維。測得吸濕性和耐水性隨著甲基丙烯酸縮水甘油酯含量的增大而增大，吸液率增大為原來的9.6倍～14.6倍。

3.3 高強度海藻酸鹽纖維

由于海藻酸鹽纖維的力學性能較差，通過與合適的原料共混、改性、交聯等方法來增強力學性能［26-28］。ZHENG X H等［29］利用濕法紡絲將2-甲基咪唑鋅鹽和海藻酸鈉進行混合，制備出海藻酸鹽復合纖維，測試顯示該纖維力學性能較好，斷裂強度達到13.6 cN/tex。楊利軍等［30］以戊二醛為增強改性劑，利用濕法紡絲制備含有預埋增強劑的初生海藻酸鈉纖維，再經熱交聯技術制得高強度南極磷蝦蛋白/海藻酸鈉復合纖維，纖維斷裂強度提高了13%。

3.4 抗菌除臭海藻酸鹽纖維

單一的海藻酸鹽纖維抗菌效果有限，為了增強抗菌性，一般有兩種方式。一種方式是發揮金屬離子的抗菌性。在制備過程中直接添加金屬離子，如Ag＋、Cu2＋、Zn2＋等，或者將含有金屬離子的溶液浸泡、噴涂纖維，賦予其抗菌性［31］。另一種是利用殼聚糖、中藥提取物和植物精油等天然物質來增加抗菌性［32-33］。姜麗陽等［34］采用浸漬法制備的海藻酸鹽含銀敷料具有良好的抗菌和保濕功效，能夠對老年糖尿病足潰瘍起到良好的治療效果。

傷口在治療過程中很容易被細菌和微生物感染，產生異味，不利于傷口愈合。人們通常在海藻酸鹽纖維材料中添加芳香材料或硅膠、沸石、活性炭等，用來減弱傷口在感染或者惡性條件下產生的不良氣味。強生公司曾推出一款海藻酸鹽纖維傷口敷料產品，使用木質素活性炭的吸附作用抑制傷口異味［35］。郭錦棠等［36］在海藻酸鈉中加入甘油、肉桂油、丁香油及乳化劑，制備出的海藻酸鈉纖維，具有良好的芳香效果，并且對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌有很好的抑制作用。

3.5 其他海藻酸鹽纖維

由于海藻酸鹽獨特而優異的性質，人們逐漸開發出不同的海藻酸鹽纖維，具備某些特定功能，如防電磁輻射和防靜電功能［37］、發光功能［38］、相變調溫功能［39］、遠紅外功能［40］、熒光功能［41］。許日鵬等［42］采用濕法紡絲技術將生物質石墨烯漿料與海藻酸鈉溶液進行共混紡絲，制備出具有遠紅外功能的海藻酸鈉纖維。測試結果表明遠紅外溫升為3.3℃，遠紅外發射率0.9%。

4 海藻酸鹽材料在生物醫用領域的應用

4.1 傷口敷料

傳統敷料在使用時存在易感染、發炎、黏連傷口、透氣性能差、功能單一，揭除時易黏連造成二次傷害等缺點。海藻酸鹽纖維用于制造傷口敷料可以改善上述情況，一般將海藻酸鹽與其他具有抗菌促愈活性高分子復合使用，如含銀海藻酸鹽敷料［43］、含明膠海藻酸鹽敷料［44］、含殼聚糖海藻酸鹽敷料［45］、含中西藥海藻酸鹽敷料［46］、微膠囊海藻酸鹽敷料［47］、載藥海藻酸鹽敷料［48］。張傳杰等［49］以海藻酸鈉為原料，采用冷凍干燥法制備出一種孔隙結構均勻、連通，彈性和柔韌性好的海藻酸鈣傷口敷料。徐海濤等［50］以海藻酸鈉和聚乙烯醇為原料，以磷酸鋯鈉銀為抗菌劑，利用靜電紡絲技術制備載銀復合納米纖維膜敷料，具有很好的力學性能以及抗菌效果，且細胞毒性較低，對大腸桿菌的抑菌率為99.98%。目前可生物降解材料在敷料上的應用越來越廣泛，針對不同的傷口選擇不同類型的海藻酸鹽敷料，可以改善創傷口局部血液循環、促進肌肉細胞的新陳代謝，達到消炎抗菌、快速愈合、消腫止痛、預防疤痕增生等多重功效，同時降低病人治療所需的時間和醫療成本。

4.2 止血愈合材料

海藻酸鹽分子鏈上含有大量的羧基基團與血液中Na+反應，形成海藻酸鈉分子內部“鉆石樣”空間結構，大量吸收血液中水分，提升血液濃度、黏度，減慢創面傷口血液流速，改變血液電離平衡，對血小板活性有激化作用和凝血效應，從而加速止血進程，促進傷口愈合［51-53］，因此海藻酸鹽纖維也被用在止血材料上。MATTHEW I R等［54］通過測試表明，與普通手術紗布相比，使用海藻酸鹽纖維敷料5 min時，淺層傷口中殘留的出血點數量顯著減少。HU Z等［55］以羧甲基殼聚糖和海藻酸鈉為原料，用CaCl2作交聯劑制備復合止血材料，并對其外觀、吸水性、孔隙率和體外止血等進行評估，結果表明其可應用在傷口上。舒華金等［56］采用靜電紡絲技術制備一種海藻酸鈉包覆納米二氧化硅的三維支架，具有高度疏松的多孔結構，快速吸水膨脹，浸水10 s，體積膨脹到原來的219%，細胞相容性好，能在10 s內完成止血，與醫用紗布相比，出血量顯著減少。

4.3 組織工程支架材料

海藻酸鹽材料具有生物安全性、細胞親和性、可降解性以及能夠提供細胞識別位點等功能特性，由其構成的組織工程支架逐步被應用在醫療領域中。研究表明將海藻酸鹽材料和金屬離子制成凝膠狀、膜狀、微膠囊，或者和某些親水性的高分子相結合，可以獲得符合要求的生物醫用材料［57］。WILKENS C A等［58］采用海藻酸鈉制備仿生血管支架，結構配置類似于天然血管，通過活力和增殖試驗對其進行了評估，發現在能夠保證內皮細胞的附著、存活和增殖的情況下，沒有出現明顯的細胞毒性。許偉鴻［59］利用靜電紡絲技術制備海藻酸鈉/聚乳酸三氯甲烷三維立體纖維支架材料，然后進行鈣鈉離子置換，獲得可遇水形成凝膠結構的海藻酸鈣復合纖維支架材料，測試表明有利于細胞的增殖與分化，為細胞的生長提供了良好的環境。OVIDIO C等［60］利用鍶與鈣作為海藻酸鹽的交聯劑，制備出具有多孔和良好相互連接結構的海藻酸鹽支架。該支架孔徑大、孔隙率高，與人體組織連接性好，有助于促進和增強人骨髓間充質干細胞的生長、分化以及營養物質的交換。

5 展望

海藻酸鹽纖維具有抗菌性、高吸濕性、良好的生物降解性和相容性，以及特殊的凝膠阻塞性，在作為醫用材料使用時，能吸收大量的傷口滲出液，增加使用者舒適度，降低感染風險，增快新生組織的生長，促進傷口的愈合，在生物領域有著很大的優勢。然而在實際的應用中，海藻酸鹽纖維依然存在價格昂貴、力學性能較差、生產工藝復雜、功能單一等不足。因此在未來的海藻酸鹽纖維發展中，可以從以下幾方面進一步研究。

（1）制備海藻酸鹽纖維時優化生產工藝，改良力學性能，增加纖維產量，降低生產成本。

（2）將海藻酸鹽纖維進行功能化改進設計，與其他天然高分子材料聯合應用或對其分子結構進行修飾，開發兼具抗菌消炎、促愈、修復等多種功能于一體的海藻酸鹽纖維制品，提高使用便捷性和實用性。

（3）開發新型高端智能化、仿生化醫用紡織品，在某些特殊傷口的護理治療上具有更突出的效果，實現相關產品的生產和臨床應用，拓展海藻酸鹽纖維在醫療領域的使用范圍。