人造皮肤用聚乙交酯经编支撑网的制备及性能研究

2022-12-26郑云波郑小佳

纺织科学研究 2022年12期

郑云波，郑小佳

（海西纺织新材料工业技术晋江研究院，福建晋江 362200）

引言

皮肤是人体的最大器官,覆盖整个体表，对保护机体免受外部机械损伤、调节体温和免疫以及感知外界环境变化起着重要作用[1-4]。但人体皮肤极易受到创伤、烫伤、烧伤、冻伤、手术外伤等各类因素损害。一般地，治疗皮肤损伤的措施主要包括自体移植、异体/异种移植等方法[5-7]。自体移植长期以来被称为大面积皮肤缺损治疗的“黄金标准”，但由于常常受到供皮区有限和及时获得性的限制而难以广泛应用[8-11]。异体/异种移植法也存在携带病毒和传播疾病风险、免疫反应和组织相容性等问题[12]。

真皮替代物产品，即人造皮肤，作为真皮再生的模板，可诱导体内修复细胞迁移、黏附、增殖和分化，形成新的真皮组织，并有效减少瘢痕过度增生，控制挛缩，提高创面愈合后的皮肤弹性、柔软性和机械耐磨性，为临床上治疗深度皮肤组织缺损提供一个较为崭新和理想的方法[13-15]。真皮替代物主要包括有胶原、壳聚糖、丝素蛋白、透明质酸、明胶、海藻酸盐等天然生物支架材料以及聚乙交酯、聚丙交酯、聚己内酯等人工合成支架材料[16-22]。理想的皮肤组织工程支架材料应同时具有良好的生物相容性、连通且孔隙率较高的孔隙结构、较低的免疫原性、能促进细胞粘附和增殖、降解速率与植入细胞形成组织的速率相匹配等条件[23]。目前，胶原等天然生物支架材料被广泛用于皮肤组织工程，但该类支架材料在体内外力学环境中极易受压而收缩变形，难以保持本身原有的三维多孔结构，致使皮肤组织、细胞及血管的生长受到限制[24-25]。研究表明，编织网具有良好的机械性能和较大的空间结构，将编织网引入胶原基支架可有效改善支架机械强度不足的问题[26]。

因此，文章以具有可生物降解的聚合物——聚乙交酯（PGA）为原料，通过探索络筒和整经工艺，设计PGA经编支撑网结构并开展对支撑网性能评价，开展清洗、干燥和定型工艺研究，开发出符合人造皮肤组织工程用要求的PGA经编支撑网，提升胶原基支架机械性能，促进推动PGA经编支撑网实现临床应用。

1 实验材料及方法

1.1 实验原料

本实验所用PGA纱线由中国纺织科学研究院有限公司提供。经检测，所用PGA纱线的断裂强度为7.53cN/dtex，断裂伸长率为19.8%，纱线粗细为75D，性能完全符合经编支撑网编织要求。将其置于室温常规保存，备用。

1.2 制备工艺

按照络筒-整经-编织-清洗-干燥-定型等工艺流程，开展PGA经编支撑网制备。其中，络筒机机器型号为WSD200A精密络筒机/ WSD200_Precision Winder；整经机机器型号为JFR-17型微电脑控制整经机；经编机、烘箱和定型机都为实验室试制仪器。

1.3 测试方法

1.3.1 克重测试

参照FZ/T70010—2006标准中的规定进行测试。

1.3.2 拉伸断裂强度

参照GB/T 3923.1—2013标准，样条的有效长度（直向）尺寸：60mm±0.5mm，有效宽度（横向）尺寸：50mm±0.5mm，其长度应满足隔距长度20mm，试验获得直/横向的拉伸断裂强力平均值做如公式（1）计算。

式中，P为拉伸断裂强度，单位为兆帕（MP）；F为断裂强力平均值，单位为牛（N）；n为经向试样含有的纱线根数；λ为材料线密度，单位为千克每米（kg/m）；ρ为材料密度，单位为千克每立方米（kg/m3）。

1.3.3 孔径测试

参照GB/T 10685—2007标准，将清洗干燥后的支撑网置于纤维细度分析仪载玻片上，盖上盖玻片，调整合适的放大倍数，使得支撑网孔隙清晰显示。连续测试支撑网孔隙中每一个端点（纱线编织交叉点）到对角端点上的距离，然后分别测试出这两个端点的长度距离，相关测试见图1。经编支撑网孔径平均值按式（2）和（3）计算。

图1 支撑网孔径测试

式中：Di为支撑网孔径大小，单位为微米（μm）；Li为支撑网孔隙中每一个端点到对角端点上的距离，单位为微米（μm）；Li1和Li2为支撑网中两个端点的长度距离，单位为微米（μm）；i为支撑网孔隙中的端点数量；D为支撑网孔径平均值，单位为微米（μm）；

1.3.4 含水量测试

按照YY1116—2010标准中附录C的规定进行测试。

1.3.5 含油率测试

按照GB/T 6504—2017 方法A的规定进行测试。

2 结果与讨论

2.1 络筒工艺

络筒是织造前准备的第一道工序，主要是将来自外部的PGA管纱或绞纱加工成符合要求的纱筒。络筒过程中应尽量保证PGA纱线张力均匀，卷装稳定，从而使整经退绕顺畅。为克服整经时PGA纱线与筒管的摩擦问题，对现有纱筒进行重新设计加工，将原有筒管长度175mm缩短为75mm。同时先将络筒2000m的75D涤纶工业丝作为底纱，后再络筒PGA纱线，涤纶工业丝动程为50mm，PGA纱线动程为40mm（见图2），从而避免PGA纱线在整经退绕时因摩擦筒管导致纱线损伤及整经张力不匀。经试验，络筒工艺采用步进门栅闭环模式，纱线张力调整为8cN，纱筒轴向锥度为3.5°。为控制PGA纱线的降解，络筒PGA纱线长度设计为200m，减少从上机到落机所用时间。

图2 原有的筒管与改造后的筒管

2.2 整经工艺

整经的目的是将筒子纱按照工艺所需的经纱根数和长度、排列次序、密度，在相同的张力下平行、等速、整齐、层次分明地卷绕到经轴。PGA纱线整经过程中，要求纱线要有适当的张力，并且纱线张力应尽量一致均匀。整经纱线张力波动范围大，经编过程易出现断头，且PGA经编支撑网成形不好。一般要求，整经张力波动范围在±5%。实验先整经800m的75D涤纶工业丝于盘头作为底纱，再整经200mPGA纱线；同时整经800m的75D涤纶工业丝作为PGA经编支撑网的补边。相关整经工艺参数详见表1。实验发现，在络筒工艺中，若PGA纱线上油，经编过程可减少散丝，但整经张力波动范围大且不稳（见图3），且增加产品清洗难度。因此，络筒工艺省去上油工序，并通过调整整经、经编工艺将散丝影响降至最低。

表1 整经工艺参数

图3 络筒上油工序对整经纱线张力影响情况

2.3 编织工艺

PGA纱线在编织机上根据所设计的工艺进行编织，形成具有特定网孔形状的人造皮肤用经编支撑网。理想的人造皮肤用经编支撑网的性能应满足如下要求：织物重量和孔径合适，孔径大小分布均匀，并且织物具有稳定的力学性能。通过改变工艺，文章设计了编链衬纬和经平两种经编支撑网主体的结构。为解决经编支撑网卷边问题，设计了单针床编链、单针床经平和双针床编链三种经编支撑网补边的结构。文章共编织了5种经编支撑网（见表2和图4）。

图4 编织的五种经编支撑网

表2 PGA经编支撑网编织工艺参数

针对支撑网主体为编链衬纬结构，结构一经编支撑网经向纬向纱线分布不均，不利于后道胶原涂层；通过改变编织工艺中的垫纱数码和送经量等参数，结构二经编支撑网经向纬向纱线分布有改善，但仍不理想；针对支撑网主体为经平结构，补边结构为单针床编链结构的结构三经编支撑网经向纬向纱线分布均匀，但两侧卷曲较为严重；通过改变补边编织工艺，补边结构为单针床经平结构的结构四经编支撑网两侧卷曲有所改善，但仍存在卷曲，不利于热定型时展开；进一步优化补边编织工艺，补边结构为双针床编链结构的结构五经编支撑网两侧卷曲问题得到了有效的解决，并且易于展开。结构五经编支撑网主体的克重为56g/m2，孔径为0.64mm，直向和横向拉伸断裂强度分别为1371MP和754MP。

2.4 清洗工艺

清洗的主要目的是去除PGA经编支撑网上的油剂，清洗溶剂为酒精。清洗工艺包括第一道酒精清洗和第二道酒精清洗，两道清洗步骤都包括浸润、搅拌、取出晾干，具体为：①将经编支撑网浸润在第一道酒精清洗所用的不锈钢洗槽中，经编支撑网的重量与清洗用酒精体积的比值为1g∶30ml，浸润时间为5min，所用酒精浓度为95%；②用不锈钢棒对浸润中的经编支撑网进行搅拌5min；③用不锈钢棒将经编支撑网挑起，分挂摆放晾干，每一挂的经编支撑网的长度为50cm；④将经编支撑网浸润在第二道酒精清洗所用的不锈钢洗槽中，经编支撑网的重量与清洗用酒精体积的比值为1g∶10ml，浸润时间为20min，所用酒精浓度为99.9%；⑤用不锈钢棒对浸润中的经编支撑网进行搅拌1min；⑥用不锈钢棒将经编织物挑起，分挂摆放晾干，每一挂的经编织物的长度为10cm～100cm。经清洗后的酒精，均真空旋蒸后回收利用。

由表3可知，PGA经编支撑网经过清洗工艺后，含油率减少到0.1%，相应PGA经编支撑网的克重减少不明显，拉伸断裂强度不变，说明该清洗工艺对PGA经编支撑网降解无显著影响。

表3 PGA经编支撑网清洗前后相关性能

2.5 干燥工艺

文中PGA经编支撑网干燥工艺，主要包括预干燥、深度干燥和织物应力松弛。

预干燥主要去除经编支撑网残存的清洗溶剂和一部分的自由水，其步骤为：将清洗后晾干的经编支撑网放置于真空干燥箱中，并将真空干燥箱温度设置至30℃。同时打开水循环真空泵，持续运行，真空干燥箱真空度为400Pa的条件下，处理时间为1.5h，后关闭水循环真空泵，慢慢通入空气，使真空干燥箱恢复至常压。

深度干燥主要去除大部分的自由水和结合水，其步骤为：①将经过预干燥的经编支撑网放置在充氮干燥烘箱中；②常温下，打开旋片真空泵，使得充氮干燥烘箱真空度降至100Pa，再关闭旋片真空泵，将氮气通入充氮干燥烘箱，使得充氮干燥烘箱恢复常压。③步骤②反复操作两次后，打开旋片真空泵，持续运行，使经编支撑网在充氮干燥烘箱内于真空度为100Pa、温度为70℃的条件下干燥处理时间16h。

织物应力松弛主要释放经编支撑网在前道工序产生的内应力，其步骤为：在充氮干燥烘箱中以通气速率为100ml/min通入氮气至常压，充氮干燥烘箱温度升至115℃，使经编支撑网在115℃温度下常压处理时间为4h，然后降温至常温，完成干燥工艺。

由表4可知，PGA经编支撑网经过干燥工艺后，含水量减少到59ppm，相应PGA经编支撑网的克重减少不明显，拉伸断裂强度不变，说明该干燥工艺对PGA经编支撑网降解无显著影响。

表4 PGA经编支撑网干燥前后相关性能

2.6 定型工艺

定型的主要目的是提升PGA经编支撑网尺寸稳定性，使得经编支撑网孔径和克重等性能达到技术指标要求，见表5。相关定型工艺条件设置为：定型温度为110℃，定型时间为1min，定型幅宽为17.2cm。定型后，PGA经编支撑网克重有一定减少，孔径增大。由于在定型加热过程中，PGA经编支撑网内应力得到有效松弛，其直向拉伸断裂强度也增强了。定型工艺结束后，将PGA经编支撑网补边撕开，剩余为PGA经编支撑网主体。