海藻酸盐纤维在生物医用领域的研究进展

宋丹青 魏 亮 孙润军 张一心 张昭环

（西安工程大学，陕西西安，710048）

近年来，随着人们对绿色健康生活方式的追求和环境保护意识的逐渐提高，绿色、科技、时尚成为现代产业发展的新理念，具有绿色环保特征的纤维材料成为当前的研究热点。海藻酸是一种来自海藻植物的高分子羧酸，由糖醛酸单体聚合成的线性多糖构成，分子式为（C6H8O6）n，其相对分子质量在1万～60万之间，在红藻、绿藻、褐藻、马尾藻等海藻细胞的细胞基质和细胞壁中都可以提取到海藻酸［1］。

湿性疗法理论研究表明，在合适的湿润环境下伤口具有更好的治疗效果，这一发现扩大了海藻酸盐纤维在医学上的应用［2］。海藻酸盐纤维中多价金属离子易与伤口渗出液中的钠离子发生离子交换，形成柔软湿润的凝胶，隔离外界灰尘和细菌，同时能够释放被封闭的羟基，吸湿基团增多，吸湿性能好，创造生理湿润的微环境，促进伤口愈合，防止伤口感染［3-4］。并且海藻酸盐纤维具有无毒、抑菌、止血、促进伤口愈合等特性，拥有良好的生物相容性和可降解吸收性，相比传统医用材料更有优势［5］。海藻酸盐纤维因其独特的性能被加工成织物、无纺布和各种复合材料等用作医学用品，如可吸收缝合线、止血材料、促愈合材料、组织工程支架和药物缓释材料等［6-8］。

1 海藻酸盐纤维的结构

海藻酸是由β-D-甘露糖醛酸（M基团）和α-L-古罗糖醛酸（G基团）两种结构单元组成的线性聚阴离子型多聚糖，大分子链以M-M、G-G、M-G、G-M等多种形式排列组合，通过1-4糖苷键连接而成［9］。M片段具有一定柔韧性，空间位阻较大，结构较为紧密，在溶液中易被钠离子取代，较难维持稳定的交联结构；G片段具有一定的刚性，有利于在溶液中发生离子交换和分子交联，与多价金属离子主要形成配位和螯合结构，稳定海藻酸盐分子结构［10］。G与M在C-5位结构上有所差别。海藻酸盐纤维的性质在一定程度受到G、M片段在分子中的比例、位置和组合排列方式的影响，同时也受到结构的影响。海藻酸钙纤维电镜照片如图1所示。从纵向观察，纤维呈圆柱状，比较顺直，几乎没有扭曲，纤维表面有很多片状突起和阴影凹槽，一些较深的凹槽会在纤维上产生较大的裂纹，造成纤维力学性能差、抱合力不足和加工困难；横截面边缘呈锯齿状，结构相对松散，内部有许多不同大小的缝隙和孔洞，使纤维拥有较好的透气性和透湿性［11］。

图1 电子显微图

2 海藻酸盐纤维的性能

2.1 高吸湿性

海藻酸钙纤维无定形区较大，结构中有着大量的羟基和羧基，容易与水分子形成氢键，标准环境条件下的回潮率为22%～26%。海藻酸钙纤维具有高吸湿性和吸液性，膨润性好，最大能吸收大于自己体积20倍的液体，比一般纤维的吸湿能力更强［12］。

2.2 凝胶性和高透氧性

海藻酸钙纤维在与人体模拟液接触时，Ca2+与Na+交换的同时和大分子中的羟基上多个O原子进行螯合，形成一种稳定的“蛋盒结构”，海藻酸钙部分被转换成海藻酸钠，纤维高度膨胀后形成纤维状的水凝胶［13］。在作为敷料接触皮肤时，外界中的氧气可以通过水凝胶中与亲水基团作用的“自由水”传递到伤口内环境中，具有高透氧性，提供一个湿润和含氧的条件，有利于伤口愈合，在去除时也不易造成二次损伤［14］。

2.3 抗菌性

海藻酸盐纤维中含有酚类、脂类、多糖类等多种抗菌活性物质，纤维吸湿后高度溶胀形成水凝胶，纤维之间的空隙受挤压后变小，细菌活动范围受限，抑制其活性和繁殖能力，降低伤口感染的可能性［15］。海藻酸盐纤维与巨噬细胞接触后，释放出的肿瘤坏死因子（TNF-α，又称恶病质素）对抗菌性也有一定的增强作用［16］。

2.4 生物相容性和可降解性

海藻酸盐作为天然高分子材料，其多糖结构和亲水特性是其具有良好生物相容性的主要原因［17］。海藻酸盐纤维在一定时间内能被微生物降解成二氧化碳和水，属于可生物降解纤维，绿色环保。

2.5 阻燃性及防辐射性能

海藻酸盐纤维具有阻燃性是因为纤维中含有二价或三价金属离子［18］。ZHANG Fengqi等［19］在加入聚酰胺纤维中加入质量分数为50%的海藻酸钙纤维，混纺织物在燃烧时没有出现任何熔滴现象，且离火自熄，具有良好的阻燃安全性。海藻酸盐中的羧基和羟基基团在水中与多价金属离子形成配位化合物，当金属离子含量达到一定程度时可以克服离子间的静电斥力作用而形成导电粒子链，使纤维具有防静电和电磁屏蔽的能力［20］。

3 海藻酸盐纤维的制备

海藻酸盐纤维的理化性能与纺丝过程中的各种工艺条件紧密相关。海藻酸盐纤维通常是经过湿法纺丝制备而成，具体过程：将海藻酸钠粉末溶于水得到具有一定浓度的海藻酸钠溶液，过滤后进行脱泡，然后将纺丝液挤出喷丝头，进入到凝固浴中（一般情况下采用一定浓度的金属盐水溶液作为凝固浴），海藻酸钠中的钠离子与金属离子发生离子交换，形成海藻酸盐纤维，后续经过拉伸、干燥，形成纤维丝束。在纺丝过程中涉及的各种组分均安全、无害，但不易改变工艺参数，容易出现纤维黏丝、并丝、纠缠等问题，力学性能较差。

静电纺丝技术能够直接获取纳米纤维，其直径在几十纳米到几微米之间，具有比表面积高、孔隙率大的特点，也被用来开发制备微尺度的海藻酸盐纤维。由于纯海藻酸钠是聚电解质，在水溶液中电导率较大，需要与其他聚合物共混制备海藻酸盐复合纤维。冯燕等［21］采用静电纺丝方法制备了海藻酸钠/聚乙烯醇/银复合纤维，探究了海藻酸钠/聚乙烯醇质量比、含银量、纺丝电压、纺丝液流速、接收距离等不同参数对纤维直径分布及形态的影响，在最佳参数下得到了直径为208 nm的复合纳米纤维。除此之外，近年来微流纺丝技术也被用来制备海藻酸盐微纤维。MARCO A等［22］将海藻酸/明胶溶液和海藻酸钠/膀胱基质溶液从两个入口通入到自制芯片中，出口用氯化钡溶液收集，成功制备出海藻酸盐复合纤维，用来诱导和调节成骨细胞分化与功能。

3.1 普通海藻酸盐纤维

在1944年，就有学者对海藻酸钙纤维进行处理，使用多种金属离子置换海藻酸钙初生纤维上的钙离子，从而制成海藻酸铁、海藻酸铝、海藻酸铜等不同的海藻酸盐纤维［23］。朱平等［24］配置质量分数为5%的海藻酸钠溶液，真空静置脱泡后，通过质量分数为4.5%、温度为40℃的CaCl2凝固浴中，经过3次后拉伸，利用湿法纺丝技术制备出海藻酸钙纤维。

3.2 高吸湿海藻酸盐纤维

当海藻酸盐纤维加工后作为医用敷料使用时，与伤口接触的过程中，如果能够吸收大量渗出液，纤维中的钙离子则更容易与钠离子发生交换形成水凝胶，因此提高海藻酸盐纤维的吸湿性十分重要。通过将海藻酸钠与其他吸湿性较好的材料共混可以制得吸湿性能优异、力学性能良好的共混纤维。舒泉水等［25］利用静电纺丝法制备纤维直径在200 nm～500 nm的聚乙烯醇/海藻酸钠/甲基丙烯酸缩水甘油酯复合纳米纤维。测得吸湿性和耐水性随着甲基丙烯酸缩水甘油酯含量的增大而增大，吸液率增大为原来的9.6倍～14.6倍。

3.3 高强度海藻酸盐纤维

由于海藻酸盐纤维的力学性能较差，通过与合适的原料共混、改性、交联等方法来增强力学性能［26-28］。ZHENG X H等［29］利用湿法纺丝将2-甲基咪唑锌盐和海藻酸钠进行混合，制备出海藻酸盐复合纤维，测试显示该纤维力学性能较好，断裂强度达到13.6 cN/tex。杨利军等［30］以戊二醛为增强改性剂，利用湿法纺丝制备含有预埋增强剂的初生海藻酸钠纤维，再经热交联技术制得高强度南极磷虾蛋白/海藻酸钠复合纤维，纤维断裂强度提高了13%。

3.4 抗菌除臭海藻酸盐纤维

单一的海藻酸盐纤维抗菌效果有限，为了增强抗菌性，一般有两种方式。一种方式是发挥金属离子的抗菌性。在制备过程中直接添加金属离子，如Ag＋、Cu2＋、Zn2＋等，或者将含有金属离子的溶液浸泡、喷涂纤维，赋予其抗菌性［31］。另一种是利用壳聚糖、中药提取物和植物精油等天然物质来增加抗菌性［32-33］。姜丽阳等［34］采用浸渍法制备的海藻酸盐含银敷料具有良好的抗菌和保湿功效，能够对老年糖尿病足溃疡起到良好的治疗效果。

伤口在治疗过程中很容易被细菌和微生物感染，产生异味，不利于伤口愈合。人们通常在海藻酸盐纤维材料中添加芳香材料或硅胶、沸石、活性炭等，用来减弱伤口在感染或者恶性条件下产生的不良气味。强生公司曾推出一款海藻酸盐纤维伤口敷料产品，使用木质素活性炭的吸附作用抑制伤口异味［35］。郭锦棠等［36］在海藻酸钠中加入甘油、肉桂油、丁香油及乳化剂，制备出的海藻酸钠纤维，具有良好的芳香效果，并且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有很好的抑制作用。

3.5 其他海藻酸盐纤维

由于海藻酸盐独特而优异的性质，人们逐渐开发出不同的海藻酸盐纤维，具备某些特定功能，如防电磁辐射和防静电功能［37］、发光功能［38］、相变调温功能［39］、远红外功能［40］、荧光功能［41］。许日鹏等［42］采用湿法纺丝技术将生物质石墨烯浆料与海藻酸钠溶液进行共混纺丝，制备出具有远红外功能的海藻酸钠纤维。测试结果表明远红外温升为3.3℃，远红外发射率0.9%。

4 海藻酸盐材料在生物医用领域的应用

4.1 伤口敷料

传统敷料在使用时存在易感染、发炎、黏连伤口、透气性能差、功能单一，揭除时易黏连造成二次伤害等缺点。海藻酸盐纤维用于制造伤口敷料可以改善上述情况，一般将海藻酸盐与其他具有抗菌促愈活性高分子复合使用，如含银海藻酸盐敷料［43］、含明胶海藻酸盐敷料［44］、含壳聚糖海藻酸盐敷料［45］、含中西药海藻酸盐敷料［46］、微胶囊海藻酸盐敷料［47］、载药海藻酸盐敷料［48］。张传杰等［49］以海藻酸钠为原料，采用冷冻干燥法制备出一种孔隙结构均匀、连通，弹性和柔韧性好的海藻酸钙伤口敷料。徐海涛等［50］以海藻酸钠和聚乙烯醇为原料，以磷酸锆钠银为抗菌剂，利用静电纺丝技术制备载银复合纳米纤维膜敷料，具有很好的力学性能以及抗菌效果，且细胞毒性较低，对大肠杆菌的抑菌率为99.98%。目前可生物降解材料在敷料上的应用越来越广泛，针对不同的伤口选择不同类型的海藻酸盐敷料，可以改善创伤口局部血液循环、促进肌肉细胞的新陈代谢，达到消炎抗菌、快速愈合、消肿止痛、预防疤痕增生等多重功效，同时降低病人治疗所需的时间和医疗成本。

4.2 止血愈合材料

海藻酸盐分子链上含有大量的羧基基团与血液中Na+反应，形成海藻酸钠分子内部“钻石样”空间结构，大量吸收血液中水分，提升血液浓度、黏度，减慢创面伤口血液流速，改变血液电离平衡，对血小板活性有激化作用和凝血效应，从而加速止血进程，促进伤口愈合［51-53］，因此海藻酸盐纤维也被用在止血材料上。MATTHEW I R等［54］通过测试表明，与普通手术纱布相比，使用海藻酸盐纤维敷料5 min时，浅层伤口中残留的出血点数量显著减少。HU Z等［55］以羧甲基壳聚糖和海藻酸钠为原料，用CaCl2作交联剂制备复合止血材料，并对其外观、吸水性、孔隙率和体外止血等进行评估，结果表明其可应用在伤口上。舒华金等［56］采用静电纺丝技术制备一种海藻酸钠包覆纳米二氧化硅的三维支架，具有高度疏松的多孔结构，快速吸水膨胀，浸水10 s，体积膨胀到原来的219%，细胞相容性好，能在10 s内完成止血，与医用纱布相比，出血量显著减少。

4.3 组织工程支架材料

海藻酸盐材料具有生物安全性、细胞亲和性、可降解性以及能够提供细胞识别位点等功能特性，由其构成的组织工程支架逐步被应用在医疗领域中。研究表明将海藻酸盐材料和金属离子制成凝胶状、膜状、微胶囊，或者和某些亲水性的高分子相结合，可以获得符合要求的生物医用材料［57］。WILKENS C A等［58］采用海藻酸钠制备仿生血管支架，结构配置类似于天然血管，通过活力和增殖试验对其进行了评估，发现在能够保证内皮细胞的附着、存活和增殖的情况下，没有出现明显的细胞毒性。许伟鸿［59］利用静电纺丝技术制备海藻酸钠/聚乳酸三氯甲烷三维立体纤维支架材料，然后进行钙钠离子置换，获得可遇水形成凝胶结构的海藻酸钙复合纤维支架材料，测试表明有利于细胞的增殖与分化，为细胞的生长提供了良好的环境。OVIDIO C等［60］利用锶与钙作为海藻酸盐的交联剂，制备出具有多孔和良好相互连接结构的海藻酸盐支架。该支架孔径大、孔隙率高，与人体组织连接性好，有助于促进和增强人骨髓间充质干细胞的生长、分化以及营养物质的交换。

5 展望

海藻酸盐纤维具有抗菌性、高吸湿性、良好的生物降解性和相容性，以及特殊的凝胶阻塞性，在作为医用材料使用时，能吸收大量的伤口渗出液，增加使用者舒适度，降低感染风险，增快新生组织的生长，促进伤口的愈合，在生物领域有着很大的优势。然而在实际的应用中，海藻酸盐纤维依然存在价格昂贵、力学性能较差、生产工艺复杂、功能单一等不足。因此在未来的海藻酸盐纤维发展中，可以从以下几方面进一步研究。

（1）制备海藻酸盐纤维时优化生产工艺，改良力学性能，增加纤维产量，降低生产成本。

（2）将海藻酸盐纤维进行功能化改进设计，与其他天然高分子材料联合应用或对其分子结构进行修饰，开发兼具抗菌消炎、促愈、修复等多种功能于一体的海藻酸盐纤维制品，提高使用便捷性和实用性。

（3）开发新型高端智能化、仿生化医用纺织品，在某些特殊伤口的护理治疗上具有更突出的效果，实现相关产品的生产和临床应用，拓展海藻酸盐纤维在医疗领域的使用范围。