综述：先进纺织品的生物医学应用：从伤口愈合到可穿戴健康监测系统

本综述系统阐述了先进纺织品在生物医学领域的融合创新，重点聚焦于伤口愈合（如丝素蛋白支架、电纺纳米纤维敷料）和可穿戴健康监测系统（如基于纺织品的生物传感器、自供电设备）的应用。文章深入探讨了材料设计（如丝素蛋白、水凝胶）、作用机制（如药物控释、抗菌、组织再生）及性能评估（如愈合率、感染控制），并分析了其面临的规模化生产、长期生物相容性、监管合规和数据安全等挑战，为未来个性化医疗和远程患者监护提供了前瞻性视角。

　　

先进纺织品的生物医学应用：从伤口愈合到可穿戴健康监测系统

1. 引言

先进纺织品是将传统纺织品的柔韧性、透气性和耐用性与纳米技术、生物技术和电子技术增强功能相结合的特殊设计材料。在生物医学领域，这些纺织品超越了传统的绷带或衣物，转变为主动的治疗和诊断平台，能够实现控释药物、抗菌、促进组织愈合和实时健康监测。通过纺织工程与生物医学科学的融合，先进纺织品将被动材料转化为交互式系统，为患者护理和个性化医疗提供了新的可能性。

2. 先进纺织品：材料与设计

2.1. 丝素蛋白生物材料及其在皮肤伤口愈合中的优势

丝素蛋白（SF）因其独特的性能和复杂的结构，已被美国食品药品监督管理局（FDA）批准作为可用于组织工程的生物材料。SF基敷料的制备始于从蚕茧中去除丝胶（脱胶过程）。脱胶方法（如高压灭菌、短时间/长时间碱煮、超声处理）和条件（如溶剂、温度、时间）显著影响SF纤维的机械性能和最终敷料的生物相容性。优化脱胶方案对于定制敷料性能（如机械强度、降解速率、治疗剂释放）至关重要。

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  2.1.1. 皮肤伤口愈合的生理学
  伤口愈合是一个复杂且有序的过程，通常经历重叠的阶段：止血、炎症、增殖和重塑。系统性疾病如糖尿病和肥胖症会显著损害这些阶段，导致微环境不利于伤口正常闭合或形成慢性伤口。糖尿病伤口的炎症期延长且失调，巨噬细胞无法从促炎（M1）表型向修复（M2）表型有效转换，同时高血糖和氧化应激会阻碍角质形成细胞和成纤维细胞的迁移，损害 angiogenesis，并导致细胞外基质（ECM）不稳定。肥胖则通过持续的轻度炎症、脂肪因子分泌失调和机械应力等因素共同阻碍愈合过程。
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  2.1.2. SF基敷料的制备
  SF基产品通常通过将SF长丝溶解在纯丝素蛋白溶液中，然后将其再生为各种材料形态（如支架、膜、水凝胶）来制备。常用的溶剂包括溴化锂（LiBr）水溶液、Ajisawa试剂（CaCl₂:EtOH:H₂O）、六氟异丙醇（HFIP）或离子液体。纯化后的SF溶液可作为生物材料制造的基础。由于天然SF缺乏明显的抗菌能力，常需要通过功能化（如负载银纳米粒子、抗生素或其他抗菌剂）来赋予其抗感染特性。

2.2. 柔性多功能纤维在当代生物医学中的应用

柔性多功能纤维的制造技术，如热拉伸、清洁室微加工、3D打印、激光加工和静电纺丝，为创建具有改进性能、功能性和生物相容性的新型生物医学设备提供了高度可扩展的平台。这些纤维已应用于脑接口、组织工程、癌症治疗、软机器人和智能可穿戴设备等领域。

2.3. 用于治疗糖尿病伤口的电纺纳米纤维技术

电纺丝是一种简单、有前景且实用的技术，可用于制造适用于伤口护理应用的纳米纤维结构纱线。电纺纤维的直径范围可从几纳米到几百纳米，比传统纺丝技术生产的纤维（通常直径大于10 μm）细得多，因此能更好地模拟皮肤ECM中胶原纤维的尺度和结构，从而表现出显著改善的生物活性和功能。电纺纤维可以作为各种生物活性剂（药物负载量可达40%）的载体，通过调节纤维结构、厚度和聚合物组成来精细控制释放动力学，实现从小时到天的持续释放。

3. 伤口愈合中的生物医学应用

3.1. 作用机制

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  3.1.1. 药物递送
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    水凝胶介导的扩散和溶胀：水凝胶材料（如接枝到棉纤维上的聚（丙烯酸-共-丙烯酰胺））可以吸收伤口渗出液，引起溶胀，并通过其多孔网络实现药物释放。释放速率常受pH值和交联密度影响，许多系统表现为扩散控制的释放（符合Peppas模型）。pH响应型水凝胶系统利用质子化/去质子化或pH不稳定的键来响应伤口微环境pH值的变化（急性伤口pH 6.0-6.5，慢性伤口pH >7.3），从而调节释放行为，甚至可用于感染监测（如通过颜色变化）。
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    利用电纺纤维调控释放：药物可以被掺入纤维中，随着水分渗透或聚合物基质降解而逐渐释放。同轴或Janus纳米纤维结构可实现双相释放，例如，从一层快速释放抗菌剂，从另一层持续释放抗氧化剂。
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  3.1.2. 抗菌性能
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    抗菌剂释放：银离子（通过干扰DNA、抑制呼吸酶和破坏微生物细胞膜发挥广谱抗菌作用）、聚六亚甲基双胍（PHMB，通过破坏细胞壁/膜和干扰细胞内靶点起作用）和蜂蜜（特别是麦卢卡蜂蜜，通过高渗透压、酸性pH、过氧化氢和甲基乙二醛（MGO）发挥抗菌作用）等物质可以被掺入纺织品中并持续释放。
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    水凝胶和藻酸盐敷料：水凝胶是三维亲水网络，有助于氧气流动，保持水分，并能弹性适应伤口状况。一些水凝胶本身具有抗菌性（如壳聚糖），另一些则可嵌入抗菌剂。藻酸盐敷料来源于海藻，在与伤口液接触时通过离子交换形成亲水凝胶，通过吸收渗出液和作为细菌入侵屏障间接发挥抗菌作用。
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  3.1.3. 组织再生
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    保湿与创造愈合环境：源自纺织品的材料（如胶原蛋白、丝素蛋白、水凝胶、藻酸盐）能创造湿润的伤口环境。湿润环境有助于成纤维细胞活性、肉芽组织和上皮形成。
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    抗菌与感染控制功能：将氧化锌纳米粒子、银磺胺嘧啶等抗菌化合物纳入纺织品纳米纤维中，可以在不产生有害副作用的情况下预防感染，促进皮肤组织再生。
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    智能与刺激响应纺织品特性：刺激响应水凝胶（如壳聚糖基水凝胶）可根据pH、温度或电场的变化释放药物（如非甾体抗炎药或抗生素）。导电水凝胶便于细胞通讯，改善再生，并允许实时监测（如葡萄糖水平或伤口闭合）。集成温度传感（如荧光纳米金刚石-丝膜）的智能纺织品有助于感染诊断和促进愈合。

3.2. 性能指标

临床和实验数据表明，与传统纱布相比，现代敷料能加速愈合。例如，壳聚糖基多层纳米纤维敷料在大鼠模型中14天可实现94%的伤口闭合率。一项针对266名患者的MPPT（微孔颗粒技术）敷料临床试验显示，其伤口清洁时间、肉芽组织形成和上皮形成时间以及住院天数均显著缩短。荟萃分析表明，高级敷料的完全愈合优势比（OR）为1.52。在感染控制方面，载银电纺纳米纤维、蜂蜜负载纳米纤维等对常见细菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌）表现出明显的抑菌圈，且某些银-壳聚糖处理纺织品经50-75次洗涤后仍能保持99.8-100%的细菌减少率。

3.3. 先进敷料与传统敷料的比较

传统纱布成本低但易与肉芽组织粘连，造成更换疼痛，且会使伤口干燥，延迟上皮形成。而高级敷料（如水胶体、藻酸盐、泡沫、水凝胶、银敷料）能维持适宜的温湿度，加速愈合，防止微生物侵入，更换频率低（2-7天或更长），患者舒适度高。虽然高级敷料材料成本较高，但其在促进愈合、减少感染和降低护理负担方面的优势使其在临床应用中具有价值。

3.4. 长期安全性与潜在并发症

先进伤口敷料，特别是那些使用纳米颗粒或复杂复合材料的敷料，存在潜在风险，包括慢性炎症/异物反应、纳米颗粒浸出和细胞毒性、机械故障和设备分层、生物污垢以及抗生素耐药性/细菌适应性问题。需要通过优化纳米颗粒负载和释放曲线、采用聚合物包封、进行加速老化和机械稳定性测试、实施慢性生物相容性测定以及采用抗生物污垢策略来降低风险。严格的监管合规（如ISO 10993, FDA, EU MDR 2017/745）、上市后监督和设备登记对于确保安全性至关重要。

4. 可穿戴健康监测系统

4.1. 实时数据采集

纺织品基可穿戴健康监测系统的核心特征之一是能够以连续、无创和动态的方式记录生理参数，同时保持用户舒适度。这些系统将柔性传感器（如电极、热电偶、应变传感器）嵌入或涂覆在纺织品中，无缝测量生命体征，如血压、体温、呼吸频率、心电图（ECG）以及汗液或其他生物液体中的生物标志物。为了确保持续运行，许多系统采用自供电技术，如摩擦纳米发电机（TENGs），它们从人体运动或呼吸中捕获能量，无需笨重电池。采集到的生理信号被数字化，并通过蓝牙低功耗（BLE）、Wi-Fi或5G网络传输，实现与智能手机、云服务器或边缘计算平台的实时健康评估同步。

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  4.1.1. 生物传感器
  纺织品可穿戴生物传感器利用柔性纺织品和先进传感技术进行非侵入式实时监测。
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    类型：
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      汗液监测电化学生物传感器：例如，基于干纺高导金纤维的可拉伸乳酸传感器，编织入织物，即使在100%应变下也能在人工汗液中保持约14.6 μA/mM·cm2的灵敏度。酶促传感器（如固定葡萄糖氧化酶（GOx）的碳电极）可用于监测葡萄糖。
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      生理监测与生命体征：纺织品平台可以追踪能量消耗、运动、姿势、皮肤温度、呼吸、脉搏和湿度。例如，基于纺织品的无线传感器设备可以连续舒适地捕获脉搏波，用于检测阻塞性睡眠呼吸暂停等疾病。自供电摩擦电纺织传感器可以监测呼吸、心冲击图（BCG）和睡眠模式。
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      纳米光子学和光学传感器：例如，利用等离子体纳米结构（Ag/Si纳米线）和表面等离子体共振（SPR）或拉曼信号位移，实现汗液葡萄糖的高灵敏度、非侵入式实时检测，检测限（LOD）低至0.12 mM。
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  4.1.2. 柔性电子器件
  柔性和可拉伸电子器件是可穿戴健康监测系统的关键，它们能贴合皮肤或织物，同时保持信号完整性。这些器件将碳纳米管、石墨烯、导电聚合物或纳米线集成到柔性基底中，用于监测生理信号。与刚性设备相比，柔性传感器更舒适，并能减少运动伪影。将柔性印刷电路板（FPCB）与电子纤维（e-fibers）结合，可实现可扩展、可洗涤、耐用的可穿戴系统。然而，机械耐久性（如导电通路断裂）、可洗性和防潮性（通过封装解决）以及材料兼容性仍是需要克服的挑战。

4.2. 与物联网（IoT）集成以实现远程患者监控

物联网支持的智能纺织品将生理传感器集成到服装中，并通过手机或网关将数据发送到云/电子健康记录（EHR）系统，实现连续的家庭监测、早期异常检测和及时干预。这在心脏病学、肿瘤学、糖尿病、运动和康复领域的可行性已得到研究和试验证明。例如，智能T恤通过二维码与手机应用连接，使用BLE传输健康数据，并通过Wi-Fi/移动网络将数据发送到经过认证的数据托管服务器，用于分析和算法训练。

4.3. 数据治理、隐私与安全

可穿戴生物医学纺织品的数据风险模型需包含有效的数据治理、数据流映射、受保护健康信息（PHI）/非PHI分类以及隐私保护设计（如数据最小化、明确同意、假名化）。设备安全（安全启动、强认证、加密的无线（OTA）更新）和通信安全（端到端加密）对于保护传输和静止时的数据至关重要。必须管理第三方/供应链风险以及人工智能（AI）分析风险（如偏见检查）。潜在的威胁包括重新识别、遥测拦截、云存储配置不当导致的数据泄露、未经授权的访问、数据篡改和恶意软件。遵守法规（如GDPR, HIPAA）和实施缓解策略（如设备证明、聚合边缘数据）对于保护敏感的生物医学数据至关重要。

5. 未来方向与挑战

先进纺织品在生物医学领域潜力巨大，但其未来影响力取决于能否实现可持续、节能、可洗涤且符合监管要求的生产。主要挑战包括：电子器件与纺织品的集成、重复使用后的耐久性、规模化生产和高成本，以及在广泛应用前通过严格的生物相容性和临床验证标准。新兴技术，如人工智能（AI）驱动的诊断（通过分析纺织品传感器数据实现实时诊断和个性化治疗）和自修复纺织品（基于先进聚合物系统，可自动修复微裂纹，延长设备寿命），正在推动该领域发展。结合AI诊断和自修复材料的生物医学纺织品，有望为下一代医疗保健提供可扩展、耐用、以患者为中心的解决方案。然而，也需要解决伦理问题，如公平获取、数据隐私以及制造和处置过程中的环境可持续性。

6. 结论

生物医学纺织品通过将传统织物特性与先进的治疗和诊断能力相结合，正在推动医学科学的发展。从抵抗感染和促进组织再生的伤口敷料，到可以传输实时健康数据的电子纺织品，这些创新展示了其在临床环境中的巨大潜力和重要性。随着纳米技术、柔性电子学和智能聚合物等方面的进步，我们正朝着更加以患者为中心的医疗解决方案迈进。然而，要广泛采用这些进步，仍需应对成本、可扩展性、洗涤耐久性、严格的生物相容性要求以及数据隐私和公平获取等伦理方面的挑战。展望未来，结合人工智能、自修复材料和环保生产方法将塑造生物医学纺织品的未来。如果能够克服当前的障碍，这些技术有望为全球医疗保健提供可扩展、持久且易于获取的解决方案。