針織成形技術在醫用紡織品領域的應用

朱新卯

(福建祥錦實業有限公司,福建 福州 350200)

自21世紀以來,各種全球性的新發復燃傳染病及其他公共衛生事件頻繁發生,嚴重影響了人們的生命安全,使得相關醫療用品的需求量急劇增加。醫用紡織品是醫療用品的重要組成部分,通常指應用于醫療、防護、保健及衛生用紡織品的總稱。醫用紡織品是紡織學與生物學、臨床醫學等多學科相結合的一種具有高附加值的產業用紡織品,通常具有防病毒、防滲透、抗菌等功能。根據其織物結構的不同,醫用紡織品可分為非織造、梭織、針織和編織4類產品。與其他紡織技術相比,針織技術具有許多獨特的優勢,如工藝流程短、原料適應性強、組織結構變化種類多、可生產半成形和全成形的醫用紡織品。針織技術中的成形技術是指通過收放針、改變組織結構和調節線圈密度等方式形成具有一定形狀結構織物的技術,可用于生產醫用紡織品中具有復雜形狀結構和特殊功能的產品。從針織成形工藝、針織成形設備及針織成形醫用紡織品3個方面對當前國內外針織成形技術在醫用紡織品的研究及應用進行總結,并在現有研究的基礎上對針織成形技術在醫用紡織品領域的發展趨勢進行展望。

1 針織成形工藝

醫用紡織品為達到更好的治療和防護效果,往往對產品的結構及性能要求較高。成形工藝是針織生產的一個重要特點,可在編織過程中形成具有一定尺寸和形狀的全成形或半成形產品,產品無需或需要少量的裁剪或縫合即可形成所需的醫用紡織品。針織成形工藝在醫用紡織品領域中應用較多的工藝包括無縫工藝、移圈工藝、局編工藝和變密度工藝。

1.1 無縫工藝

無縫工藝即無需通過裁剪縫合工序即可生產在側邊沒有接縫織物的一種針織成形工藝,主要針對醫用紡織品領域中對形狀結構和舒適性能要求較高的一類產品,例如人造血管、血管外支架及醫用口罩耳帶等無縫管狀類產品。

用于生產醫用紡織品的無縫工藝的設備范圍較廣,不僅可在筒狀結構的圓緯機上實現,也可在經編機和橫機上完成。圓緯機分為單面機和雙面機,單面機主要用于生產單面緯平針組織的產品,該產品具有彈性好、織物輕薄等特點,主要用于包扎傷口的醫用敷料、牙周補片及心臟瓣膜縫合環等產品;雙面機主要用于生產羅紋組織產品,其產品結構厚實,彈性和延伸效果更佳,產品可用于包扎傷口的醫用敷料也可用于病人康復使用的護膝、護腕和護肘等護具,同時可以作為增強體結構與樹脂固化成型關節部位的成型夾板等產品。由于圓筒形的結構使得圓緯機可輕松生產出無縫針織醫用紡織品,這正是早期采用小口徑高機號圓緯機來生產針織結構人造血管的主要原因之一。然而,由此方法生產的人造血管織物經過后續的致密化整理、波紋化熱定型及清洗等多道工序處理后仍存在卷邊嚴重、尺寸穩定性差等問題,使其使用范圍受限。經編無縫工藝可用于雙針床經編機和圓筒形經編機。在雙針床經編機上編織無縫針織產品時,2 個針床上的織針通過上下運動分別編織成圈,形成前后2片織物,在織物兩邊或織物內部需形成無縫或連接組織時往往是通過導紗梳櫛在前后針床的織針上共同墊紗以達到連接和縫合的效果。圓筒形經編機的針筒和導紗梳櫛均為圓環形,主要用于編織空心無縫管狀織物。利用經編無縫工藝生產的針織結構人造血管具有不易卷邊、不易脫散、尺寸穩定性好且易于手術處理和縫合等優點,是當前人造血管中使用較為廣泛的組織結構。

1.2 移圈工藝

移圈工藝是指編織過程中將某一織針上的線圈轉移到其他織針上的一種編織工藝。移圈工藝主要應用于橫機上,部分圓緯機上也有使用。移圈工藝能夠在針織物表面獲得各種不同的孔眼、扭曲、凹凸等效應,從而增加織物透氣性。該工藝的編織原理可以用來編織成形針織物、改變針織物組織結構使單面織物和雙面織物互相轉化。移圈工藝在編織醫用紡織品過程中使用較多的是收針和放針。收針是指將部分織針上的線圈轉移到相鄰織針上使其退出編織工作,從而實現減少工作針數、縮減織物寬度的目的。放針與收針的效果相對,是以增加工作針數及織物寬度為目的,主要是通過在放的織針上掛上其相鄰織針上的舊線圈來實現放針。由于電腦橫機的后針床可實現搖床動作,因此橫機的一次移圈動作可實現多針移圈,利于生產復雜結構的成形產品。

1.3 局編工藝

局編工藝是指在編織過程中,部分織針暫時退出編織,但退出編織的織針上的線圈既不轉移也不脫掉仍保留在鉤針里,在其他織針編織一段時間后,暫時退出編織的織針再與其他織針一起共同編織,從而可實現局部位置凸起或凹陷的具有立體結構的針織產品。局編工藝主要用于圓緯機和橫機上,在醫用紡織品生產過程中,以橫機的局編工藝使用較多。局編工藝在醫用紡織品領域主要應用在異形結構產品的編織,其中包括醫用防護口罩、治療淋巴水腫的五趾襪等形狀結構復雜的三維立體醫用紡織品。

1.4 變密度工藝

變密度工藝是指在編織過程中動態改變一個編織橫列的線圈長度,進而改變該橫列的編織密度。變密度工藝一般在組織結構進行變化時使用,一方面是通過增加線圈的長度防止其因線圈轉移或拉伸而造成舊線圈的斷裂,另一方面可通過增加或減小線圈長度來改變織物面密度,進而改變織物不同部位的透氣性及延伸性。變密度工藝主要用于生產具有檢測心率等功效的智能醫用紡織品以及對身體部位進行加壓處理的壓力服裝等產品。

2 針織成形設備

目前用于生產醫用紡織品的針織成形設備根據其成形工藝可分為圓緯編成形設備、橫編成形設備和經編成形設備。

2.1 圓緯編成形設備

圓緯編成形設備主要包括單面和雙面圓緯機、無縫成形圓緯機、襪機等。圓緯編成形設備主要用于生產無縫筒狀結構的醫用紡織品。圖1所示為意大利圣東尼公司的雙面無縫內衣機,該設備具有雙向移圈技術,設備上配有4路移圈系統,移圈系統針筒和針盤各1個電子選針器,能進行針筒向針盤或針盤向針筒固定針位的雙向移圈,同時該設備采用模塊化的喂紗單元,使每路針筒或針盤獨立進紗,設計時可自由選擇路數,每路均可在同一行中快速實現變化密度和變色。該設備主要用于生產醫用防護服裝、孕產婦保健服裝及支托服裝等產品。

圖1 雙面無縫內衣機

2.2 橫編成形設備

橫編成形設備主要指雙針床和四針床電腦橫機。電腦橫機屬于高精度先進針織生產設備,構造復雜,僅零部件就1 500 多種,技術復雜程度堪比一輛汽車。四針床電腦橫機是當前最為先進的橫編成形設備,國際上可生產四針床電腦橫機的公司中最具代表性的是日本島精公司。日本島精公司生產的四針床電腦橫機如圖2所示,該設備配備了當前最為先進的精準送紗裝置,即i-DSCS+DTC智能型數控紗環系統+能動張力控制裝置,如圖3所示。此精準送紗裝置可精確控制編織過程中的紗線長度,同時也可使強力較弱的生物醫用功能紗線順利完成編織,為制備尺寸精度要求較高的醫用成形紡織品提供了技術保障。由于橫編成形設備的機號較小,織物結構較為稀疏,因此產品多用于外用醫療類紡織品,主要包括各種高彈護肢體套、矯正繃帶和襪套及壓力服裝等。橫編成形設備的成形工藝種類最多,在頭部及面部手術恢復用面罩、殘肢護理和加工紡織植入體,尤其是在矯形器領域使用的異形結構醫用紡織品具有較好的發展前景。

圖2 本島精公司的四針床電腦橫機

圖3 日本島精公司的i-DSCS+DTC系統

2.3 經編成形設備

經編成形設備包括雙針床經編機和圓筒形經編機,在醫用紡織品領域雙針床經編機可用于生產經編人造血管、醫用生物支架、生物共生移植體等可植入性醫用品和醫用防護服、醫用功能性繃帶、口罩耳帶等非植入性醫用產品;圓筒形經編則主要用于經編人造血管。人造血管的內徑通常小于6 mm,因此對經編機的機號要求較高,同時機號越高,所生產的人造血管組織結構越密,對后續預粘要求就越低,用于生產經編人造血管的雙針床經編機通常采用機號為E30和E32的機型,并需要多把花梳櫛和地梳櫛。圖4所示是HCR16-EX 型人造血管經編機,機號為E32,擁有12把花梳櫛和4把地梳櫛,可編織內徑為3 mm 的兩分叉特征的人造血管。除此之外,可用于生產人造經編血管的經編機還包括機號為E30的HCR16-EX、機號為E30的DR16-EEC/EAC和機號為E32的DJ/2EL等機型。圓筒形經編機最早出現于20世紀80年代末,主要用于生產水果和土豆的包裝材料。圓筒形經編機織針與梳櫛配制示意圖如圖5所示,編織過程中,整列的舌針在成圈機件的控制下上升到最高位置,之后圓環形梳櫛周向擺動一個針距完成針前墊紗,然后在成圈機件的控制下舌針下降鉤取傾斜的經紗,脫圈后形成一個橫列的經編線圈。由于圓環形梳櫛難以完成針背墊紗運動,因此只能形成開口線圈,組織結構主要為經平、經絨和經斜等簡單結構組織。通過改變圓筒形經編機的筒經和織針數量可生產不同直徑的經編人造血管支架。

圖4 HCR16-EX 型人造血管經編機

圖5 圓筒形經編機織針和梳櫛配置示意圖

3 針織成形醫用紡織品

醫用紡織品按其制品與人體的關系分類主要分為醫用防護紡織品、外用醫療紡織品、可植入性醫療紡織品和外循環及血處理制品4大類,針織成形技術在前3類產品中均有較多的應用。

3.1 醫用防護紡織品

醫用防護紡織品的基本要求是防止醫護人員在診療和護理過程中被病毒和病菌感染,同時還需要具備可有效隔離微生物、顆粒物質和流體,使用過程中具有良好的舒適性和耐用性以及一定的抗撕裂和耐磨損性能,具體包括防護服、防護口罩、頭套等。利用局編工藝和變密度工藝在電腦橫機上生產的橫編醫用防護用口罩如圖6所示。該醫用防護口罩為一體成形口罩,通過局編工藝使得口罩的整體結構具有內凹外凸的三維立體效果,編織過程中通過改變不同部位的織物密度來保證該產品與人體臉部的貼合更加緊密,同時也保證了口罩的舒適性。該口罩的罩體處為中空結構,可通過添加抗菌防病毒濾芯來提高口罩的過濾效率。圖7為經編可嵌入濾芯的防護口罩,該口罩是利用經編無縫成形技術在雙針床經編機上生產的一體成形產品,下機后無需任何縫合處理。經編無縫口罩的高度彈性在佩戴過程中可提供舒適的佩戴感,并且可經75℃水洗后重復使用。經編機的編織效率在針織成形設備中為最高的,在機號為E24的RDPJ型經編機上,以500 r/min的機速生產該口罩,生產效率為400只/h。

圖6 橫編醫用防護口罩

圖7 經編可嵌入濾芯防護口罩

3.2 外用醫療紡織品

外用醫療紡織品主要包括創傷敷料、矯正繃帶、矯正襪套及壓力服裝等產品。該類醫療紡織品主要在患者體外使用,需具備較好的透氣性、彈性及舒適性。醫用創傷敷料可利用單面圓緯機所生產的緯平針織物來制作,該織物孔隙率較大、彈性好,使用過程中不會對傷口產生壓痛感。利用局編工藝在電腦橫機上生產的用于治療淋巴水腫的針織五趾襪如圖8所示,使用隔趾設計不僅提高了服帖感,而且采用變密度工藝對織物的局部進行壓力處理,使得其在治療淋巴水腫等醫療領域得到廣泛應用。利用全身掃描儀獲取孕婦的體型輪廓信息并在設計系統上處理成有效的數據,然后將這些數據通過紙樣展開后在全成形電腦橫機上利用移圈工藝、局部編織工藝等方法編織合身的腹帶,通過添加智能傳感器可實現孕婦只要圍著腰帶就能隨時確認胎兒的健康狀態功能,如圖9所示。圖10為圓緯編無縫內衣機生產的醫用壓力服,主要用于治療淋巴水腫,預防和控制燒傷和手術外傷等術后疤痕的過度增生。該產品由彈性紗線編織而成,編織過程中需采用移圈工藝及變密度工藝來改變壓力服不同部位的壓力值及透氣性,同時使該產品在治療使用過程中具備良好的舒適性。

圖8 治療淋巴水腫的針織五趾襪

圖9 針織結構多功能孕婦腹帶

圖10 醫用壓力服

3.3 可植入性醫療紡織品

可植入性醫療紡織品主要包括人造血管、人造氣管、疝修補網、金屬內支架等,該類產品具有較好延伸性、柔韌性、可編織性和生物相容性。其纖維材料包括聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯丙交酯(PLGA)等可制成二維或三維結構的生物可降解聚合物。圖11是組織工程的經編織物增強型人造血管,該結構中包含管狀經編織物、血纖蛋白和細胞,其中經編結構為整個組織工程提供了必備的機械穩定性,該組織工程相比非纖維織物系統的生長期更短,從而可實現快速移植。產品在移植后具有可消除血管壁腫脹的功效,同時,通過選擇合適的組織結構和線圈密度,可使組織工程血管中外來物所占比例減少20%左右。在電腦橫機上利用變密度工藝編織的一體成形疝修補網結構示意圖如圖12所示,該產品的下部為密度較小的緯平針組織,有利于組織液及吞噬細胞順利通過,從而促進新生組織順利生長,而上部邊緣區域為密度較大的2+2羅紋組織,可有效防止邊緣區域卷曲現象的發生。同時此新型疝修補網結構編織過程中也利用局編工藝,實現了該產品的三維一體成形編織。金屬內支架采用鎳鈦形狀記憶合金絲制成,移植到人體管腔狹窄處后可擴張成形,為人體管壁提供持續而均勻的支撐力,從而使人體管腔保持暢通。針織醫用金屬內支架既可在經編成形設備上編織完成,也可在緯編成形設備上編織完成,2 種成形設備所生產的針織醫用金屬內支架實物如圖13所示。2種針織醫用金屬內支架均具有較好縱向柔順性,與人體接觸面積小、同質性好,其中經編醫用金屬內支架具有更為突出的抗壓縮能力和空間穩定性,而緯編醫用金屬內支架脫散性更好,便于生產各種不同長度的的支架。

圖11 組織工程的經編織物增強型人造血管

圖12 橫編一體成形疝修補網結構示意圖

圖13 針織醫用金屬內支架

4 結束語

針織成形技術為紡織學領域的增材制造技術,為生物醫療用纖維材料的快速成形提供了便捷,使得具有復雜形狀結構的醫用紡織品一體成形成為可能。隨著國家公共衛生應急管理體系的進一步健全,人們健康安全意識的逐漸增強,對醫用紡織品的質量要求將越來越高,使得針織成形技術在醫用紡織品領域的應用中將面臨更多挑戰。針織成形技術未來的主要發展方向有以下幾個方面。

(1)充分發揮針織成形技術的短流程生產技術,實現相關醫用紡織品的高效生產;

(2)針對不同的針織成形設備研發適用于細度小且強力較弱的生物醫用功能纖維的精準送紗及紗線張力控制裝置,實現相關醫用紡織品的高品質生產;

(3)在現有的針織成形設備基礎上開發適用于醫用紡織品生產的軸向針織成形設備,從而提高醫用紡織品的機械性能。