生物活性纤维的研发现状和发展趋势

秦益民

(1. 嘉兴学院 材料与纺织工程学院， 浙江 嘉兴 314001；2. 海藻活性物质国家重点实验室， 山东 青岛 266400)

生物活性纤维的研发现状和发展趋势

秦益民1,2

(1. 嘉兴学院 材料与纺织工程学院， 浙江 嘉兴 314001；2. 海藻活性物质国家重点实验室， 山东 青岛 266400)

为系统总结生物活性纤维研究领域的研发成果，分析了各种生物活性纤维的基本结构、性能和应用，总结了在纤维材料中负载活性基团的各种方法，并根据材质来源及制备工艺对生物活性纤维进行系统分类。可认为，通过再生、共混、涂层、化学改性等工艺技术负载生物活性基团后制备的生物活性纤维可通过物理、化学、生物等作用机制影响人体细胞、组织、器官、系统等功能，产生抗菌、止血、促进血液循环、提高免疫力、抗氧化、抗衰老等保健和美容功效。其制品在卫生材料、抗菌纺织品、美容纺织材料、功能性医用敷料等成品中有很高的应用价值。

生物活性纤维； 负载活性基团方法； 纤维分类； 生物医用材料

纤维是纺织品的基本组成单元，其与人体接触和互动过程中产生的使用功效是决定纺织材料品质的重要因素。随着科技的进步、社会的发展、人们物质文化水平的日益提高，纺织品的健康、安全、卫生、舒适性要求日益提高，拉动了生物技术、材料技术在新纤维研发和生产中的应用，其中负载生物活性成分的纤维材料在服装、家纺、美容、医疗卫生等领域呈现出极大的需求空间和持久的发展潜力。作为高科技、高附加值的新材料，生物活性纤维在现代纺织业的可持续发展中具有重要的经济和社会意义[1]。

本文在分析生物活性纤维的基本性能和制备方法的基础上，介绍了新型生物活性纤维的结构、性能和应用。

1 纤维的生物活性

生物活性是指通过物理、化学、生物等因素引发生物体中细胞、组织、器官、系统等正常机制发生变化的能力，其中物理因素包括静电、微波、纳米特性等物理刺激；化学因素包括水化、离子交换、催化等引起的化学反应；生物因素包括酶活性、细胞活性、组织活性、系统活性等引导的生物诱变。

作为一种功能材料，纤维可负载多种具有生物活性的化合物，如糖类、脂类、蛋白质多肽类、甾醇类、生物碱、甙类、挥发油、金属离子等。这些负载在纤维结构中的活性成分在与人体皮肤组织及机体作用后引发生物效应，产生特殊的保健、美容、养生功效。表1示出生物活性纤维与人体之间各种类型的相互作用。

表1 生物活性纤维与人体之间的相互作用Tab.1 Interaction between bioactive fibers and human body

生物活性物质与纤维材料结合后产生的生物活性使纺织品的性能和功效得到本质性变化，在医疗和保健领域产生重要的应用价值，其制品已应用于伤口护理、美容、人工器官、卫生、保健、整形等众多领域，对医疗技术进步和健康产业发展起重要作用[2]。

2 生物活性纤维中的活性成分

人体是各种化合物组成的一个复杂生物体，拥有大量无机、有机、生物质成分，其与外部环境之间的互动是人体健康的关键因素。除通过食品、保健品等口服途径[3]，皮肤是人体与外界互动的一个重要界面。对人体皮肤产生互动作用的物质种类繁多，包括天然产物中提取和人工合成的各种化合物。目前被确认具有生物活性的物质主要有活性多糖、多不饱和脂肪酸、磷脂及其他复合脂质、氨基酸、肽与蛋白质、维生素类、矿物元素、酶类(超氧化物歧化酶、谷胱甘肽过氧化物酶等)和非酶类(维生素E、维生素C、β-胡萝卜素等)自由基清除剂、醇、酮、醛与酸类、磁性化合物、金属离子等，可分为无机和有机化合物、动物和植物提取物以及基于海洋生物的海洋活性物质，其中无机化合物包括纳米锌颗粒、氧化铁、氧化锌、氧化钛、氧化铜、碳黑等具有防紫外线、抗菌、除异味性能的化合物；有机化合物包括乙二醇、草酸、氨基葡萄糖等具有润肤、活化皮肤特性的功能材料[4-6]。在动物提取物中，从鲨鱼肝脏中提取的角鲨烯是一种天然抗氧化剂，可使皮肤滋润、滑腻、充满弹性，与维生素E、透明质酸等联合使用后可有效渗透皮肤，防止皮肤老化，减少老年斑。蜂胶、丝胶、胶原等动物提取物也具有良好的美容功效[7-9]。在植物提取物中，芦荟提取液含有200多种活性成分，包括75种营养成分、20种矿物质、18种氨基酸及12种维生素。从葡萄酒中提取的白藜芦醇具有抗氧化性，能抑制甘油三酯的合成，防止皮肤老化，保护心血管[10]。各种水果提取液可为服装提供愉悦的香味，如柠檬中的柠檬醛、玫瑰中的己酸烯丙酯、苹果中的苯胺素、菠萝中的肉桂醛、樱桃中的胡椒醛等。薰衣草油、百里香、鼠尾草油、薄荷油、桉叶油、洋甘菊油等植物精油具有润肤、提神等功能。从茉莉、玫瑰、菊花、月季花等鲜花中提取的精油同样具有优良的护肤美容功效。

作为一种脂溶性维生素，维生素E在生物活性纤维中具有特殊的应用价值，是最主要的抗氧化剂之一[11]。维生素E溶于脂肪、乙醇等有机溶剂中，不溶于水，对热、酸稳定，因此具有较好的加工性能。作为一种抗氧化剂，维生素E可使细胞外基质保持健康状态，起到良好的护肤作用。

3 生物活性纤维的种类

如图1所示生物活性纤维的典型结构，生物活性纤维是一种负载生物活性成分的纤维材料。根据其来源和加工制备过程，可分为天然和人造2大类，其中人造类可进一步分为再生类和改性类2大类。下面分类介绍目前市场上常用的各种生物活性纤维。

图1 生物活性纤维的典型结构Fig.1 Typical structure of bioactive fiber

3.1 天然生物活性纤维

天然生物活性纤维的活性主要来源于组成纤维的天然高分子材料。在棉纤维、羊毛、真丝等主要的天然纤维中，真丝含有乙氨酸、丙氨酸、丝氨酸等18种氨基酸[12]，在与皮肤接触过程中可增强细胞活力，加速血液循环，软化血管，起到延缓皮肤衰老、防止动脉硬化和静脉曲张等功效。罗布麻纤维富含黄酮类化合物、槲皮素、氮基酸等多种药物成分，可通过体表作用于人体，具有降血压、降血脂、平喘、清火、强心、利尿等功效，对高血压、冠心病、气管炎等病症有医疗保健功效。以竹子为原料加工的竹纤维富含大量对人体有益的微量元素，具有特殊的保暖、保健功能，可激发产生负离子，使人体倍感清新、舒适，具有多功能医疗保健特性。

3.2 人造生物活性纤维

化纤领域传统的生产工艺包括湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝等纤维成型技术，可采用多种工艺在纤维结构中负载具有生物活性的化学基团和聚集体，其中主要的技术手段包括：1)在聚合物上负载功能基团后纺丝成型；2)在纺丝原液或熔体中添加功能剂后挤出成型；3)在纤维中镶嵌中空、微孔结构后吸附活性成分；4)在后整理过程中将纳米粉体等功能材料借助分散剂、稳定剂、黏合剂等助剂复合到纤维表面[13]。根据原料来源和制备工艺，人造生物活性纤维可分为再生和改性2大类。

3.2.1 再生生物活性纤维

再生生物活性纤维是一类以天然生物活性高分子为原料加工制备的纤维材料，其中甲壳素、甲壳胺和海藻酸盐纤维是代表性的产品。甲壳素是从虾、蟹等甲壳类动物中提取的天然高分子，其脱乙酰基后得到的甲壳胺可溶解在稀酸溶液中，通过湿法纺丝制备的纤维材料有良好的生物相容性和生物可降解性，以及消炎、止血、镇痛、促进肌体组织生长等功能，对大肠杆菌、乳酸杆菌等常见菌种具有很好的抑制作用，对过敏性皮炎有显著疗效[14-16]。海藻酸是从褐藻中提取的由甘露糖醛酸和古罗糖醛酸组成的水溶性高分子[17]，通过湿法纺丝制备的海藻酸钙纤维使用在创面上后与体液中的钠离子发生离子交换，具有促进慢性伤口愈合的优良性能[18-20]。以蚕丝中的丝朊和丝胶加工制备的再生蛋白质纤维对皮肤有良好的亲和力,具有与真丝相似的透湿性、保湿性、抗氧化性,能抵御日光等对肌肤的侵蚀,防止皮肤起皱老化。

3.2.2 改性生物活性纤维

改性生物活性纤维是应用化学、物理、生物等技术使纤维结构发生改变后获取的生物活性，其生物活性基团可通过共混纺丝、吸附、涂层等物理改性技术或通过对纤维进行化学改性获取[21-22]。

3.2.2.1 共混法制备生物活性纤维 在纤维的纺丝成型过程中，生物活性物质可通过互溶、互熔或以超细粉体的形式分散在纤维中。例如，将丝胶与聚乙烯醇共混后制成的纤维在具有良好物理性能的同时，具有优异的保健功效[23-24]。Ma等[25]将磺胺与海藻酸钠混合后制备纺丝溶液，通过湿法纺丝制备的含磺胺海藻酸盐纤维在缓释磺胺的过程中具有优良的广谱抗菌性能。Bazhban等[26]将环糊精与甲壳胺反应后在甲壳胺分子链上负载环糊精后与聚乙烯醇在水溶液中混合，然后通过静电纺丝制备共混纤维可负载药物，起到缓释药物的作用。Song等[27]将胰蛋白酶与聚乳酸混合后通过静电纺丝制备含有胰蛋白酶的聚乳酸纤维，并用戊二醛交联使胰蛋白酶更好地与聚乳酸结合。研究显示，该纤维将与其接触的明胶降解成氨基酸，在美容化妆材料中有很好的应用价值。

3.2.2.2 吸附法制备生物活性纤维 利用纤维材料无定形区的多孔特性可使纤维吸附活性物质后产生各种生物活性。Kasiri等[28]用单宁、黄酮、醌等微生物和植物提取的天然染料处理的纤维在具有特殊色泽的同时也具有抗菌活性。Kostic等[29]用银离子处理大麻纤维后得到的负载银离子的纤维对大肠埃希菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌均有良好的抑制作用。Hong等[30]用具有抗氧化、抗肿瘤、抑菌性能的酚酸、没食子酸、对羟基苯甲酸等植物提取物处理棉纤维，使其对金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯氏菌有良好的抑制作用。

3.2.2.3 涂层法制备生物活性纤维 在纤维表面覆盖一层具有生物活性的化合物是制备生物活性纤维的一个重要途径。美国Noble公司采用溶液镀银方法在尼龙纤维表面镀上金属银，得到的X-Static镀银纤维具有良好的抗静电、除臭、促进血液循环、调节体温、防辐射以及优良的抗菌性能[31]。X-Static镀银纤维在与体液接触后，纤维表面负载的金属银能持续在溶液中释放出银离子，具有持久的抗菌性能。

Smiechowicz等[32]以硝酸银为原料，采用还原剂在纤维素纤维上形成颗粒直径小、颗粒聚集少的纳米银。Montazer等[33]以硫酸铜为原料、葡萄糖为还原剂在棉纤维上形成Cu2O颗粒，处理后得到的纤维对甲基蓝的降解有很强的光催化作用，同时对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌有很强的抗菌作用。Ristic等[34]和Fras-Zemljic等[35]采用甲壳胺溶液和纳米粉体在纤维素纤维表面形成一层甲壳胺表皮层，产生良好的抗菌作用。

3.2.2.4 反应法制备生物活性纤维 通过化学反应改变纤维结构后使其负载生物活性成分是制备生物活性纤维的另一个重要途径。Peila等[36]和Cravotto等[37]分别用β-环糊精处理棉纤维和粘胶纤维，利用环糊精负载薄荷醇、积雪草、银杏叶等植物提取物，其负载的环糊精在释放出活性成分后，可通过再吸附法为纤维补充活性成分。图2示出具有负载活性成分功效的环糊精的化学结构。

图2 环糊精的化学结构Fig.2 Chemical structure of cyclodextrin

通过与棉纤维、粘胶纤维、真丝、羊毛等纤维中高活性基团反应可在纤维上负载多种生物活性物质。例如，Pejic等[38]用高碘酸钠使棉纤维氧化成多醛结构，然后吸附水溶液中的胰岛素后得到胰岛素含量约为55 mg/g的改性棉纤维，该纤维以每24 h释放1.3～1.6 mg胰岛素的速度可持续释放20 d。Nikolic等[39]以氧化粘胶纤维为原料制备负载胰蛋白酶的纤维。Nadiger等[40]用芦荟提取液处理真丝纤维，采用丁烷四羧作为交联剂发现，负载15%芦荟的真丝纤维具有优良的抗菌性能。Nogueira等[41]用L-半胱氨酸通过共价键交联在棉纤维上负载L-半胱氨酸，该纤维对肺炎克雷伯菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别为89%和83%。Fu等[42]采用蛋白酶、转谷氨酰胺酶、酪氨酸酶和漆酶等酶处理羊毛和真丝纤维后，有效提高了纤维的生物活性及其在美容化妆领域中的应用。

4 生物活性纤维的性能和应用

通过负载种类繁多的活性基团，生物活性纤维可具有抗菌、止血、抗辐射、抗过敏、抗病毒、抗氧化、抗紫外线辐射、抑制基质金属蛋白酶活性、抗衰老、抗HIV、除臭、抗疲劳等多种与人体健康密切相关的特殊功能，其丰富、高效的生物活性在保健纺织品、化妆品、医用卫生材料、日化制品等领域有重要的应用价值。

4.1 具有物理功效的生物活性纤维

纤维的物理功效包括其发射远红外线、导电、电磁波屏蔽等。目前远红外纤维是应用较广的一种功能纤维，通过陶瓷粉发射的远红外线可促进血液循环和人体新陈代谢，具有增强免疫力、保暖、抗菌、防臭、消毒、消炎、消肿等作用。麦饭石纤维含有麦饭石中提取的多种微量元素，在吸收体温的过程中产生人体能吸收的远红外线，可激活人体细胞，改善和促进血液循环，预防和治疗皮肤疾病。镀有银、锌、铜等金属的纤维材料可消除电磁波、病菌、静电等带来的不适感觉，抑制人体汗水中细菌繁殖，对紫外线、红外线和人体放射的辐射热量有很好的反射性，具有冬暖夏凉的功效。含有活性碳的纤维是一种有源远红外加热材料，具有理疗保健作用，可促进血液循环，加快皮肤新陈代谢，减缓类风湿关节炎疼痛，加快伤口愈合。通过双组分复合熔融纺丝、单纤维热融涂覆、织物转移涂覆等多种工艺技术负载多元素复合稀土合金磁钢的磁性纤维具有增强人体血液中离子活性、净化血液、扩张血管、加速血液循环、改善细胞新陈代谢等作用，对高血压、冠心病、神经衰弱、关节炎、颈和腰痛疾病等患者有辅助医疗保健作用。

4.2 具有化学功效的生物活性纤维

纤维材料通过其负载的羧酸、酯、胺等化学基团可与人体产生水化、离子交换、吸附等化学活性，例如海藻酸盐纤维通过羧酸基团的离子交换特性，在与体液接触后具有独特的成胶性能，其与体液中金属离子的交换性能对吸湿、保湿、抗菌、促愈、止血、排毒、美白等生物活性起重要作用，在功能性医用敷料、功能性面膜材料、妇幼卫生用品、成人失禁产品等领域有很高的应用价值。负载氧化酶的纤维能消除产生臭味的硫化氢和氨，对日常生活中氨(刺激性气味)、胺类(腐烂鱼味)、甲基硫醇(腐烂大蒜味)、硫化氢(臭鸡蛋味)、乙醛(刺激性气味)和惰性粪臭类(粪臭味)等大多数异味有除臭功效，适用于床上用品、保健用品和医疗卫生用品的生产。

4.3 具有生物功效的生物活性纤维

利用纤维材料负载的活性基团也可产生特殊的生物功效，例如将局部麻醉药吸附到纤维材料或采用熔融纺丝直接将局麻药引入纤维中可制备出具有麻醉功能的医用纤维[43]。在纤维中加入具有永久自发电极的纳米材料后可使纤维产生空气负离子、发射生物波、释放人体所需的微量元素，具有良好多保健理疗、热效应和排湿透气功能，可使人体皮下组织血流量增加，有效改善人体微循环，提高组织供氧，改善新陈代谢，增强免疫力。以核酸、蛋白质、纤维素、多糖等天然生物高分子为原料制备的纤维材料与蚕丝、蜘蛛丝、胶原纤维等同样具有优良的力学性能、生物相容性及生物活性，以这类纤维制备的生物纤维面膜能抑制酪胺酸酶的活性，防止皮肤色素沉着与形成色斑、雀斑现象，并且能清除含氧自由基，促进皮肤新陈代谢，更新老化角质，使皮肤白皙、光滑舒适、无皱纹，在功能性面膜领域有重要的应用价值。

5 生物活性纤维的发展趋势

作为纺织材料的基本组成单元，纺织纤维是各种服装面料与人体直接接触的界面，在皮肤和人体健康中起关键作用[44]。在纤维上负载各种活性成分并利用纤维表面的亲水特性、形态特征、结晶区非结晶区分布促进活性成分的可控释放及其与人体组织的互动是生物活性纤维研发和应用领域的一个重要方向。纳米技术、静电纺丝等先进加工技术的发展也为生物活性纤维的改性提供了更多的手段[45]。铜、锌、银等对人体健康起重要作用的金属和金属离子在与纤维材料结合后可起到抗菌、消炎、美容、促进血液循环等保健功效，已经被越来越多地应用于功能纤维的制备。各种动植物提取物负载在纤维上可有效改善纤维的亲肤特性，通过与人体生物质的互动产生滋润皮肤、缓解疲劳、美白、养颜等一系列生物活性功效。

随着海洋经济的不断发展，基于海洋生物的各种海洋活性物质在生物活性纤维中得到越来越广泛的应用[46-48]。海洋生物活性物质按其化学结构可分为多糖、多肽、氨基酸、脂质、固醇、萜、苷、非肽含氮、酶、色素等10大类，具有丰富多样的生物活性。例如，海带提取液可帮助受损肌肤更新和重建，增加细胞间黏合度，强化脆弱肌肤，减少疤痕形成。粉团扇藻等海藻活性成分负载棉织物后可为皮肤筑起水份保护屏障，提供长效滋润和保湿作用，对皮肤炎有很好的疗效。螃蟹、虾等海洋动物中提取的甲壳素和甲壳胺具有抗菌、止血、去异味以及促进细胞增长的功效，对影响皮肤健康的毒素、黑色素、重金属等具有超强的吸附力，能辅助晦暗受损肌肤重获新生、减缓过敏、有效淡化色斑、暗沉等。海洋生物中提取的鱼子酱、虾青素等活性物质具有抗老化、紧致肌肤的功效，可促进细胞新陈代谢，提升肌肤本身的自然治愈力，改善皮肤粗糙、干燥、易过敏等问题，既滋润肌肤，也可舒缓情绪。海洋中的海泥与纤维材料结合后能吸附油脂，去除老化角质，软化皮脂，可深层清洁毛孔而不使肌肤干燥，在去除肌肤表面多余油脂并抑制油脂分泌的同时使肌肤恢复光彩和活力。

6 结 语

生物活性纤维通过其负载的各种活性基团对人体产生美容、保健与医疗功效，是一类重要的纺织材料。随着人们生活水平的日益提高，内衣、工作服、运动服、家用纺织品、医用纺织品等纺织材料的亲肤特征及生态功效变得尤为重要。通过新材料的应用和对传统纤维的改性提高纤维的生物活性，是现代纤维制品发展的一个重要方向，尤其是海洋生物材料在纤维技术中的应用将为生物活性纤维的开发和应用提供广阔的发展空间。

FZXB

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Current development and future trend of bioactive fibers

QIN Yimin1,2

(1.CollegeofMaterialandTextileEngineering,JiaxingCollege,Jiaxing，Zhejiang314001,China;2.StateKeyLaboratoryofBioactiveSeaweedSubstances,Qingdao，Shandong266400,China)

In order to systematically review the development of bioactive fibers, the basic structures, properties and applications of bioactive fibers were analyzed, the various methods for loading functional groups in fibrous materials were summarized, and bioactive fibers based on raw materials and preparation techniques were systematically classified. Results show that by regeneration, blending, coating and chemical modification, bioactive fibers can be prepared to carry bioactive groups influencing cells, tissues, organs and systems in the human body with antimicrobial, haemostatic, enhanced blood circulation, immune defense, anti-oxidant, anti-ageing and other health care and skin care benefits. Products made from bioactive fibers are highly valuable in hygiene materials, antimicrobial textiles, cosmetology textiles, functional wound dressings and other medical textile fields.

bioactive fiber； method for loading functional group； fiber classification； biomedical material

2016-02-26

2016-10-13

山东省泰山学者蓝色产业计划项目(20130009)

秦益民(1965—)，男，教授，博士。主要研究领域为功能性纤维的研究与开发。E-mail: yiminqin1965@126.com。

10.13475/j.fzxb.20160203107

TS 131.9

A