针织成形技术在医用纺织品领域的应用

朱新卯

(福建祥锦实业有限公司,福建 福州 350200)

自21世纪以来,各种全球性的新发复燃传染病及其他公共卫生事件频繁发生,严重影响了人们的生命安全,使得相关医疗用品的需求量急剧增加。医用纺织品是医疗用品的重要组成部分,通常指应用于医疗、防护、保健及卫生用纺织品的总称。医用纺织品是纺织学与生物学、临床医学等多学科相结合的一种具有高附加值的产业用纺织品,通常具有防病毒、防渗透、抗菌等功能。根据其织物结构的不同,医用纺织品可分为非织造、梭织、针织和编织4类产品。与其他纺织技术相比,针织技术具有许多独特的优势,如工艺流程短、原料适应性强、组织结构变化种类多、可生产半成形和全成形的医用纺织品。针织技术中的成形技术是指通过收放针、改变组织结构和调节线圈密度等方式形成具有一定形状结构织物的技术,可用于生产医用纺织品中具有复杂形状结构和特殊功能的产品。从针织成形工艺、针织成形设备及针织成形医用纺织品3个方面对当前国内外针织成形技术在医用纺织品的研究及应用进行总结,并在现有研究的基础上对针织成形技术在医用纺织品领域的发展趋势进行展望。

1 针织成形工艺

医用纺织品为达到更好的治疗和防护效果,往往对产品的结构及性能要求较高。成形工艺是针织生产的一个重要特点,可在编织过程中形成具有一定尺寸和形状的全成形或半成形产品,产品无需或需要少量的裁剪或缝合即可形成所需的医用纺织品。针织成形工艺在医用纺织品领域中应用较多的工艺包括无缝工艺、移圈工艺、局编工艺和变密度工艺。

1.1 无缝工艺

无缝工艺即无需通过裁剪缝合工序即可生产在侧边没有接缝织物的一种针织成形工艺,主要针对医用纺织品领域中对形状结构和舒适性能要求较高的一类产品,例如人造血管、血管外支架及医用口罩耳带等无缝管状类产品。

用于生产医用纺织品的无缝工艺的设备范围较广,不仅可在筒状结构的圆纬机上实现,也可在经编机和横机上完成。圆纬机分为单面机和双面机,单面机主要用于生产单面纬平针组织的产品,该产品具有弹性好、织物轻薄等特点,主要用于包扎伤口的医用敷料、牙周补片及心脏瓣膜缝合环等产品;双面机主要用于生产罗纹组织产品,其产品结构厚实,弹性和延伸效果更佳,产品可用于包扎伤口的医用敷料也可用于病人康复使用的护膝、护腕和护肘等护具,同时可以作为增强体结构与树脂固化成型关节部位的成型夹板等产品。由于圆筒形的结构使得圆纬机可轻松生产出无缝针织医用纺织品,这正是早期采用小口径高机号圆纬机来生产针织结构人造血管的主要原因之一。然而,由此方法生产的人造血管织物经过后续的致密化整理、波纹化热定型及清洗等多道工序处理后仍存在卷边严重、尺寸稳定性差等问题,使其使用范围受限。经编无缝工艺可用于双针床经编机和圆筒形经编机。在双针床经编机上编织无缝针织产品时,2 个针床上的织针通过上下运动分别编织成圈,形成前后2片织物,在织物两边或织物内部需形成无缝或连接组织时往往是通过导纱梳栉在前后针床的织针上共同垫纱以达到连接和缝合的效果。圆筒形经编机的针筒和导纱梳栉均为圆环形,主要用于编织空心无缝管状织物。利用经编无缝工艺生产的针织结构人造血管具有不易卷边、不易脱散、尺寸稳定性好且易于手术处理和缝合等优点,是当前人造血管中使用较为广泛的组织结构。

1.2 移圈工艺

移圈工艺是指编织过程中将某一织针上的线圈转移到其他织针上的一种编织工艺。移圈工艺主要应用于横机上,部分圆纬机上也有使用。移圈工艺能够在针织物表面获得各种不同的孔眼、扭曲、凹凸等效应,从而增加织物透气性。该工艺的编织原理可以用来编织成形针织物、改变针织物组织结构使单面织物和双面织物互相转化。移圈工艺在编织医用纺织品过程中使用较多的是收针和放针。收针是指将部分织针上的线圈转移到相邻织针上使其退出编织工作,从而实现减少工作针数、缩减织物宽度的目的。放针与收针的效果相对,是以增加工作针数及织物宽度为目的,主要是通过在放的织针上挂上其相邻织针上的旧线圈来实现放针。由于电脑横机的后针床可实现摇床动作,因此横机的一次移圈动作可实现多针移圈,利于生产复杂结构的成形产品。

1.3 局编工艺

局编工艺是指在编织过程中,部分织针暂时退出编织,但退出编织的织针上的线圈既不转移也不脱掉仍保留在钩针里,在其他织针编织一段时间后,暂时退出编织的织针再与其他织针一起共同编织,从而可实现局部位置凸起或凹陷的具有立体结构的针织产品。局编工艺主要用于圆纬机和横机上,在医用纺织品生产过程中,以横机的局编工艺使用较多。局编工艺在医用纺织品领域主要应用在异形结构产品的编织,其中包括医用防护口罩、治疗淋巴水肿的五趾袜等形状结构复杂的三维立体医用纺织品。

1.4 变密度工艺

变密度工艺是指在编织过程中动态改变一个编织横列的线圈长度,进而改变该横列的编织密度。变密度工艺一般在组织结构进行变化时使用,一方面是通过增加线圈的长度防止其因线圈转移或拉伸而造成旧线圈的断裂,另一方面可通过增加或减小线圈长度来改变织物面密度,进而改变织物不同部位的透气性及延伸性。变密度工艺主要用于生产具有检测心率等功效的智能医用纺织品以及对身体部位进行加压处理的压力服装等产品。

2 针织成形设备

目前用于生产医用纺织品的针织成形设备根据其成形工艺可分为圆纬编成形设备、横编成形设备和经编成形设备。

2.1 圆纬编成形设备

圆纬编成形设备主要包括单面和双面圆纬机、无缝成形圆纬机、袜机等。圆纬编成形设备主要用于生产无缝筒状结构的医用纺织品。图1所示为意大利圣东尼公司的双面无缝内衣机,该设备具有双向移圈技术,设备上配有4路移圈系统,移圈系统针筒和针盘各1个电子选针器,能进行针筒向针盘或针盘向针筒固定针位的双向移圈,同时该设备采用模块化的喂纱单元,使每路针筒或针盘独立进纱,设计时可自由选择路数,每路均可在同一行中快速实现变化密度和变色。该设备主要用于生产医用防护服装、孕产妇保健服装及支托服装等产品。

图1 双面无缝内衣机

2.2 横编成形设备

横编成形设备主要指双针床和四针床电脑横机。电脑横机属于高精度先进针织生产设备,构造复杂,仅零部件就1 500 多种,技术复杂程度堪比一辆汽车。四针床电脑横机是当前最为先进的横编成形设备,国际上可生产四针床电脑横机的公司中最具代表性的是日本岛精公司。日本岛精公司生产的四针床电脑横机如图2所示,该设备配备了当前最为先进的精准送纱装置,即i-DSCS+DTC智能型数控纱环系统+能动张力控制装置,如图3所示。此精准送纱装置可精确控制编织过程中的纱线长度,同时也可使强力较弱的生物医用功能纱线顺利完成编织,为制备尺寸精度要求较高的医用成形纺织品提供了技术保障。由于横编成形设备的机号较小,织物结构较为稀疏,因此产品多用于外用医疗类纺织品,主要包括各种高弹护肢体套、矫正绷带和袜套及压力服装等。横编成形设备的成形工艺种类最多,在头部及面部手术恢复用面罩、残肢护理和加工纺织植入体,尤其是在矫形器领域使用的异形结构医用纺织品具有较好的发展前景。

图2 本岛精公司的四针床电脑横机

图3 日本岛精公司的i-DSCS+DTC系统

2.3 经编成形设备

经编成形设备包括双针床经编机和圆筒形经编机,在医用纺织品领域双针床经编机可用于生产经编人造血管、医用生物支架、生物共生移植体等可植入性医用品和医用防护服、医用功能性绷带、口罩耳带等非植入性医用产品;圆筒形经编则主要用于经编人造血管。人造血管的内径通常小于6 mm,因此对经编机的机号要求较高,同时机号越高,所生产的人造血管组织结构越密,对后续预粘要求就越低,用于生产经编人造血管的双针床经编机通常采用机号为E30和E32的机型,并需要多把花梳栉和地梳栉。图4所示是HCR16-EX 型人造血管经编机,机号为E32,拥有12把花梳栉和4把地梳栉,可编织内径为3 mm 的两分叉特征的人造血管。除此之外,可用于生产人造经编血管的经编机还包括机号为E30的HCR16-EX、机号为E30的DR16-EEC/EAC和机号为E32的DJ/2EL等机型。圆筒形经编机最早出现于20世纪80年代末,主要用于生产水果和土豆的包装材料。圆筒形经编机织针与梳栉配制示意图如图5所示,编织过程中,整列的舌针在成圈机件的控制下上升到最高位置,之后圆环形梳栉周向摆动一个针距完成针前垫纱,然后在成圈机件的控制下舌针下降钩取倾斜的经纱,脱圈后形成一个横列的经编线圈。由于圆环形梳栉难以完成针背垫纱运动,因此只能形成开口线圈,组织结构主要为经平、经绒和经斜等简单结构组织。通过改变圆筒形经编机的筒经和织针数量可生产不同直径的经编人造血管支架。

图4 HCR16-EX 型人造血管经编机

图5 圆筒形经编机织针和梳栉配置示意图

3 针织成形医用纺织品

医用纺织品按其制品与人体的关系分类主要分为医用防护纺织品、外用医疗纺织品、可植入性医疗纺织品和外循环及血处理制品4大类,针织成形技术在前3类产品中均有较多的应用。

3.1 医用防护纺织品

医用防护纺织品的基本要求是防止医护人员在诊疗和护理过程中被病毒和病菌感染,同时还需要具备可有效隔离微生物、颗粒物质和流体,使用过程中具有良好的舒适性和耐用性以及一定的抗撕裂和耐磨损性能,具体包括防护服、防护口罩、头套等。利用局编工艺和变密度工艺在电脑横机上生产的横编医用防护用口罩如图6所示。该医用防护口罩为一体成形口罩,通过局编工艺使得口罩的整体结构具有内凹外凸的三维立体效果,编织过程中通过改变不同部位的织物密度来保证该产品与人体脸部的贴合更加紧密,同时也保证了口罩的舒适性。该口罩的罩体处为中空结构,可通过添加抗菌防病毒滤芯来提高口罩的过滤效率。图7为经编可嵌入滤芯的防护口罩,该口罩是利用经编无缝成形技术在双针床经编机上生产的一体成形产品,下机后无需任何缝合处理。经编无缝口罩的高度弹性在佩戴过程中可提供舒适的佩戴感,并且可经75℃水洗后重复使用。经编机的编织效率在针织成形设备中为最高的,在机号为E24的RDPJ型经编机上,以500 r/min的机速生产该口罩,生产效率为400只/h。

图6 横编医用防护口罩

图7 经编可嵌入滤芯防护口罩

3.2 外用医疗纺织品

外用医疗纺织品主要包括创伤敷料、矫正绷带、矫正袜套及压力服装等产品。该类医疗纺织品主要在患者体外使用,需具备较好的透气性、弹性及舒适性。医用创伤敷料可利用单面圆纬机所生产的纬平针织物来制作,该织物孔隙率较大、弹性好,使用过程中不会对伤口产生压痛感。利用局编工艺在电脑横机上生产的用于治疗淋巴水肿的针织五趾袜如图8所示,使用隔趾设计不仅提高了服帖感,而且采用变密度工艺对织物的局部进行压力处理,使得其在治疗淋巴水肿等医疗领域得到广泛应用。利用全身扫描仪获取孕妇的体型轮廓信息并在设计系统上处理成有效的数据,然后将这些数据通过纸样展开后在全成形电脑横机上利用移圈工艺、局部编织工艺等方法编织合身的腹带,通过添加智能传感器可实现孕妇只要围着腰带就能随时确认胎儿的健康状态功能,如图9所示。图10为圆纬编无缝内衣机生产的医用压力服,主要用于治疗淋巴水肿,预防和控制烧伤和手术外伤等术后疤痕的过度增生。该产品由弹性纱线编织而成,编织过程中需采用移圈工艺及变密度工艺来改变压力服不同部位的压力值及透气性,同时使该产品在治疗使用过程中具备良好的舒适性。

图8 治疗淋巴水肿的针织五趾袜

图9 针织结构多功能孕妇腹带

图10 医用压力服

3.3 可植入性医疗纺织品

可植入性医疗纺织品主要包括人造血管、人造气管、疝修补网、金属内支架等,该类产品具有较好延伸性、柔韧性、可编织性和生物相容性。其纤维材料包括聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚乙交酯丙交酯(PLGA)等可制成二维或三维结构的生物可降解聚合物。图11是组织工程的经编织物增强型人造血管,该结构中包含管状经编织物、血纤蛋白和细胞,其中经编结构为整个组织工程提供了必备的机械稳定性,该组织工程相比非纤维织物系统的生长期更短,从而可实现快速移植。产品在移植后具有可消除血管壁肿胀的功效,同时,通过选择合适的组织结构和线圈密度,可使组织工程血管中外来物所占比例减少20%左右。在电脑横机上利用变密度工艺编织的一体成形疝修补网结构示意图如图12所示,该产品的下部为密度较小的纬平针组织,有利于组织液及吞噬细胞顺利通过,从而促进新生组织顺利生长,而上部边缘区域为密度较大的2+2罗纹组织,可有效防止边缘区域卷曲现象的发生。同时此新型疝修补网结构编织过程中也利用局编工艺,实现了该产品的三维一体成形编织。金属内支架采用镍钛形状记忆合金丝制成,移植到人体管腔狭窄处后可扩张成形,为人体管壁提供持续而均匀的支撑力,从而使人体管腔保持畅通。针织医用金属内支架既可在经编成形设备上编织完成,也可在纬编成形设备上编织完成,2 种成形设备所生产的针织医用金属内支架实物如图13所示。2种针织医用金属内支架均具有较好纵向柔顺性,与人体接触面积小、同质性好,其中经编医用金属内支架具有更为突出的抗压缩能力和空间稳定性,而纬编医用金属内支架脱散性更好,便于生产各种不同长度的的支架。

图11 组织工程的经编织物增强型人造血管

图12 横编一体成形疝修补网结构示意图

图13 针织医用金属内支架

4 结束语

针织成形技术为纺织学领域的增材制造技术,为生物医疗用纤维材料的快速成形提供了便捷,使得具有复杂形状结构的医用纺织品一体成形成为可能。随着国家公共卫生应急管理体系的进一步健全,人们健康安全意识的逐渐增强,对医用纺织品的质量要求将越来越高,使得针织成形技术在医用纺织品领域的应用中将面临更多挑战。针织成形技术未来的主要发展方向有以下几个方面。

(1)充分发挥针织成形技术的短流程生产技术,实现相关医用纺织品的高效生产;

(2)针对不同的针织成形设备研发适用于细度小且强力较弱的生物医用功能纤维的精准送纱及纱线张力控制装置,实现相关医用纺织品的高品质生产;

(3)在现有的针织成形设备基础上开发适用于医用纺织品生产的轴向针织成形设备,从而提高医用纺织品的机械性能。