海藻纤维的发展及其应用

海藻纤维作为一种新型生物可降解再生纤维，是以海藻植物(如海带、海草)中分离出的海藻酸为原料制成的纤维，其产品具有良好的生物相容性、可降解吸收性等特殊功能，而且资源丰富，估计世界海洋中有25000多种海藻[1]，海藻纤维的各种优异性能已在纺织领域和医学领域得到了广泛的关注。

1 海藻纤维的发展

1.1 国外海藻纤维的发展

英国化学家ECC Stanford[2-3]早在1881年1月12日发表的一项英国专利中，首先介绍了从褐藻类海藻植物狭叶海带 (Laminaria Stenophylla)中提取出的一种凝胶状物质，他把用稀碱溶液提取出的物质命名为Algin，加酸后生成的凝胶为Alginic acid，即海藻酸。

1944年，英国人Speakman 和 Chamberlain发表了他们对海藻酸纤维的研究成果[4-6]。Speakman和Chamberlain 研究了从 6 组具有不同相对分子质量的海藻酸中加工出的纤维的性能。结果说明，海藻酸的相对分子质量对纤维的强度有一定的影响，但其影响程度不是很大。

在1912年到1940年期间，一些德国、日本和英国专利纷纷发表了海藻酸盐经挤压可得到可溶性海藻纤维的报道。1947年有报道说[7]，以海藻酸钙和海藻酸钠为原料的海藻纤维可以制成毛纺织品、手术用纱布和伤口包覆材料。英国在上世纪60年代和70年代的研究表明，Steriseal公司销售的SORBSON，就是利用海藻纤维制备的保暖、保湿性好的创伤被覆材料，可治疗严重感染的溃疡，这种材料中海藻纤维与创口渗出物接触，形成吸湿性的凝胶，可使伤口保持湿润，促进伤口快速愈合。

据文献报道，日本Acordis特种纤维公司是世界首家实现海藻纤维大批量生产的厂家，其工艺属领先地位。日本Forest公司开发出一种海藻纤维[8]，这种纤维主要从海草的海藻胶粉中提炼制取，它由海藻酸钠水溶液以CaCl2作为凝固浴，经湿法纺丝，并以甲醇替换水分而制得，所得纤维线密度为2.2dtex(l.97D)，强度1.7cN/dtex(l.92g/d)，这家公司从1993年起在本国销售海草纤维毛巾，自2000年在韩国销售海藻纤维内衣，日前已扩大到欧洲和东南亚等国家。海藻纤维能反射远红外线，产生负离子保暖和保健作用，除服装外还可用于食品工业或医药工业做冻胶或增稠剂，新用途可做伤口绷带或创可贴。

1.2 国内海藻纤维的发展

甘景镐等[9]最早报道了我国对海藻酸纤维的研究情况。该课题组早在1981年就结合国外对海藻酸纤维的研究，采用含5%海藻酸钠的纺丝溶液，通过湿法纺丝制备海藻酸钙纤维。研究中发现，由于凝固液中的钙离子的浓度因为不断被消耗而稀释，为便于控制，使用饱和的氯化钙水溶液作为凝固液最为适宜。纤维在2000Pa压力下，于60℃下进行干燥后得到的强度为0.44cN/dtex～1.76cN/dtex。孙玉山等[10]在1990年详细研究了海藻酸纤维的生产工艺。该课题组通过湿法纺丝，在气体介质中拉伸后得到的纤维强度达2.67cN/dtex。为了改善海藻酸钙纤维的化学稳定性，课题组采用纤维素醋酸酯、聚乙烯醇、甲壳质等对纤维进行涂层处理，使纤维具有一定的化学稳定性，可以在生理盐水中维持两周保持不溶解。在用锌、铝、铁、铬等金属离子处理海藻酸钙纤维后，纤维可以在生理盐水中浸渍两个月后不溶解。

2004年，青岛大学夏延致教授受聘青岛市海藻纤维项目的首席科学家。在海藻纤维的生产新技术及海藻纤维在功能性纺织品、本质阻燃材料等方面的应用进行了创新和发展，开拓了海洋生物资源应用新领域。其主持863计划重点项目“海藻资源制取纤维及深加工关键技术开发”，开展海藻纤维的工业化生产。

2007年，青岛大学公开了一种壳聚糖接枝海藻纤维及其制备方法与用途的专利[11]，这种纤维由于表面包覆一定的壳聚糖，因而具有良好的吸湿性和抗菌性，且无毒、无害、安全性高及生物可降解性，在医药、环保等领域均有良好的应用前景，作为止血治疗的新型材料，尤其适合于制造纱布做伤口敷料用。纤维强度：1.5d～2.5d。断裂伸长率：4%～10%。断裂强度：1.8g/d～3.1g/d。

2 海藻纤维制备

2.1 原料的制备

目前，在可用作制备海藻纤维的原料中，最常用的是可溶性钠盐粉末，即海藻酸钠。其生产工艺流程：先用稀酸处理海藻使不溶性海藻酸盐转变成海藻酸，然后加碱加热提取，生成可溶性的钠盐溶出，过滤后，加钙盐生成海藻酸钙沉淀，该沉淀经酸液处理转变成不溶性海藻酸，脱水后加碱转变成钠盐，烘干后即为海藻酸钠。

2.2 海藻纤维的制备

海藻纤维通常由湿法纺丝制备，即将可溶性海藻酸盐(通常用海藻酸钠)溶于水中形成黏稠溶液，然后通过喷丝孔挤出到含有二价金属阳离子(Mg2+除外)的凝固浴中，形成固态不溶性海藻酸盐纤维长丝。

3 海藻纤维的特点

3.1 高吸湿性

可以吸收大量的伤口渗出物，延长更换绷带的时间，减少更换次数和护理时间，降低护理费用。

3.2 易去除性

海藻酸盐纤维与渗出液接触后膨化形成柔软的凝胶。高M海藻酸盐纤维可用温热的盐水溶液淋洗去除；高G海藻酸盐绷带膨化较小可整片去除，对新生伤口的娇嫩组织有保护作用，防止在取出纱布时造成伤口二次创伤。

3.3 高透氧性

吸湿后形成亲水性凝胶，与亲水基团结合的“自由水”成为氧气传递的通道，氧气经吸附—扩散—解吸过程，从外界环境进入伤口组织内；而纤维的高G段是纤维的大分子骨架连接点，水凝胶的硬性部分(氧气可通过的微孔)避免了伤口的缺氧状况，促使伤口愈合。

3.4 凝胶阻塞性

海藻酸盐绷带与渗出液接触时膨化，大量的渗出液滞留在凝胶纤维中，而单纤维膨化会减少纤维间的细孔使流体的散布停止，因海藻酸盐绷带的“凝胶阻塞”特殊性，可使伤口渗出物散布，相应的浸渍作用减小。

3.5 生物降解性和相容性

海藻酸盐纤维属生物可降解纤维，这就解决了对环境污染的问题。其与生物相容可避免手术时二次拆线，减轻了病人的痛苦。

3.6 金属离子吸附性

海藻纤维可吸附大量金属离子形成导电链，可提高大分子链的聚集性能，适宜制造防护纺织品。

4 海藻纤维的开发应用

4.1 医用海藻纤维

4.1.1 高吸湿医用海藻纤维

通过用多种金属离子置换初生纤维上的钙离子，从而制成诸如海藻酸铁、海藻酸铝、海藻酸铜等不同的海藻酸纤维。海藻纤维中G/M的比例不同，制备的海藻纤维的吸湿性会有很大的不同。M单元和多价金属离子形成离子结合，钙离子在溶液中易被钠离子取代，成胶吸湿性大；而G单元与多价金属离子主要形成配位和整合结构，与钠离子交换比例小。现阶段解决的主要办法为制备钙/钠海藻纤维，或将海藻酸钠与其他高吸湿原料（如羧甲基纤维素）进行共混纺丝。Masahiro Tachi制备吸湿性医疗敷料和绷带，而且吸湿后可以隔绝或阻止细菌的进入，防止伤口的感染[12]； Otsuka T制备的锌/钙海藻纤维，有明显的抑菌

效果和消肿效果。[13]

4.1.2 抗菌、除臭医用海藻纤维

由于创伤病人的免疫功能下降，伤口在愈合过程中易被细菌等感染，易产生不愉快的气味，严重影响伤口的愈合速度和治疗环境。抗菌海藻纤维的制备主要是利用抗菌金属离子 (如毒性低的银离子)或生物降解性和相容性好的天然抗菌剂(如壳聚糖、芦荟等)。[14] 异味去除主要采用物理法和覆盖法。物理吸附主要是利用施加在纤维上的吸附剂的吸附作用，使异味分子从环境中转移到织物上从而消除，常用的吸附剂有硅胶、沸石、活性炭、空心炭粒、氧化铝等。掩盖法是在纺织品上施加气味比异味更为强烈的香味，以掩盖异味，使人们感觉不到异味的存在，常用的主要是对皮肤刺激性小的香精、植物提取物等。

4.1.3 远红外医用海藻纤维

远红外线极易被水分子吸收，所以当远红外线照射人体时，就会发生吸收入、透射、反射过程，这一过程科学家称之为“生物共振”。陈华光等采用红外线照射伤口感染和溃疡后所产生的内热效应能调节人体生物电场及神经血管功能，使溃疡病变部位组织血管扩张，微循环营养状况改善，新陈代谢加快，减少细胞组织缺氧状态，促进组织间炎性渗出物的吸收，从而增强组织的修复和再生功能，起到消炎消肿、止痛、减少渗透，促进肉芽与上皮细胞的生长，促进伤口愈合。在纤维加工过程中，添加远红外吸收剂可制得永久性远红外纤维。远红外添加剂可在纺丝工序中加入。

远红外纤维制备的具体方法是，把远红外粉分散于与成纤聚合物具有很好相容性的媒介物中，再与纺丝原液或聚合物熔体或溶体相混合进行纺丝。从纤维结构上可将远红外纤维分为两类，一类是远红外粉在成纤聚合物截面上均匀分散的单一组成纤维，另一类是具有一个或多个芯层结构，或橘瓣形的复合纤维。因为海藻纤维是在室温下采用湿法纺丝，可以将远红外陶瓷粉末直接加入纺丝液，在分散剂的作用下使其均匀分散，然后进行纺丝成型，从而制备具有促进伤口愈合功能的远红外海藻纤维。

4.1.4 调温医用海藻纤维

烧伤、创伤病人因为体温受外部环境影响很大，所以如何维持其体温恒定受到人们的关注。利用调温材料起到平衡温度的作用，使温度不会太高，也不会太低，还可以通过动态的气候控制来调节材料内部的相对温湿度。

这类性质适合于绷带和纱布等材料，因它能减少排汗，提高舒适感，所以将海藻纤维制成透气且随外界温度变化的医用敷料等会对伤口的愈合速度与效果都有很好的辅助作用。

4.2 防护性海藻纤维

4.2.1 防辐射、抗静电海藻纤维[15]

近年来多离子电磁屏蔽织物越来越引起人们的重视。多离子织物是当今国际最先进的第六代屏蔽电磁辐射材料，是目前屏蔽低、中频段电磁辐射最先进的民用防护材料。多离子织物采用目前国际最先进的物理和化学工艺对纤维进行离子化处理，将有害的电磁辐射能量通过织物自身的特殊功能转变成热能散发掉，从而避免了环境二次污染，净化了空气。由于织物中含有大量金属阳离子，可起到杀菌除臭作用，对皮肤无刺激，有助人体表皮微循环；同时具有防静电、防部分X射线及紫外线等功能。[16]

海藻酸钠在水溶液中存在着—COO—、—OH基团，能与多价金属离子形成配位化合物。海藻酸钠溶于水中形成黏稠溶液，然后通过喷丝孔挤出到含有多价金属离子的凝固浴中，形成固态海藻酸钙纤维长丝，只要改变凝固浴中金属离子的种类，如Ba2+、Zn2+、Al3+、Cu2+、Pb2+、Hg2+、Ni2+、Ag+等，海藻酸中的G结构蛰合多价金属离子，形成稳定的络合物。形成的海藻酸纤维可以作为多离子织物用于制备电磁屏蔽织物。原因可能是离子在纤维基质中含量增加到一定程度时，离子间的结合力增强，足以克服离子间的静电斥力作用而使其相互连接起来，形成导电粒子链，提高了织物的电磁屏蔽和抗静电能力。

据西班牙《数码报》日前报道，秘鲁纺织业已研制出海藻纤维服装，包括帽子、夹克、上衣和泳装等，这种服装用以海藻酸盐为原料开发的海藻纤维制成，能够有效防止人体过度暴露在紫外线中，从而预防严重的眼部疾病和皮肤癌等皮肤疾病。据称这种纤维能够抵御99.7%的紫外线侵袭。

4.2.2 阻燃海藻纤维

因为海藻酸为多糖类大分子聚合物，聚合物燃烧时发生的热分解主要为链式解聚和无规分解两类。链式解聚是单体单元从链端或最弱链点相继脱开，实质上是链式聚合的反演，通常称为逆增长或解链，解聚反应在临界温度点发生；发生无规分解时，在链上任意位置发生链断裂，生成比单体大的各种形状的碎片。这两类热分解可以同时发生，也可以分别发生，但通常是同时发生的。海藻酸纤维自身具有阻燃性，在火焰中阴燃，有白烟，离火自熄。海藻酸钙纤维的极限氧指数为34.4，属于难燃纤维[17]。目前还没有文献对其阻燃机理进行详细的报道。笔者认为海藻酸纤维的阻燃性主要是和其自身的羧基以及含有的金属离子有关。以海藻酸钙纤维为例，①大分子中含有钙离子，可能含有钠离子，在海藻纤维的燃烧过

程中就可能生成碱性环境，再者由于多糖环上含有羟基基团，在碱性环境和羟基基团的共同影响下，海藻酸大分子极易发生脱羧反应，生成不燃性CO2而冲淡可燃性气体的浓度。②可能生成CaO和CaCO3沉淀而覆盖于纤维大分子表面，发生覆盖或交联作用，在二者共同作用下产生阻燃效果。[18]

4.2.3 美容护肤海藻纤维

意大利Zegna Baruffa Lane Borgosesia 纺丝公司也推出一种名为Thalassa 的长丝，丝中含有海藻成分，用这种纤维制成的面料和服装比一般纤维制成的面料和服装更能保持和提高人体表面温度。这种含海藻成分的面料穿着后可以让人的大脑松弛，也可以提高穿着者的注意力与记忆力，还具有抗过敏、减轻疲劳及改善失眠状况。

5 海藻纤维的发展前景展望

自1980年以来，海藻纤维纱布广泛应用于西方医疗界，许多临床研究已证明了这种纱布的优越性能[19]，但据文献报道[20]，目前国内外生产的海藻纤维大多强力低、脆性大、弹性低及色泽不够理想，在某种程度上限制了其应用范围，给产业化生产带来一定的困难。所以在纱线原料的选用上，多采用混纺或交织技术，例如将海藻纤维与莫代尔、粘胶纤维、棉纤维等纺织原料进行混纺，可弥补海藻纤维性能上的不足。浙江纺织服装科技有限公司采用32%海藻纤维/60%MODAL/85%牛奶纤维三合一混纺色纱，并添加氨纶长丝，织造具有一定弹性和抗菌性的色织针织坯布，并对产品的有关技术指标进行了测试，结构和性能良好。其产品物理指标和外观质量均达到一等品要求。另外，浙江纺织服装科技有限公司以海藻纤维/长绒棉混纺纱线为经纬纱制造，或以棉纱与海藻/粘胶混纺纱线交织，开发出两种大提花缎纹织物，采用低温、低碱、低盐染色工艺，开发了中高档床上系列用品。此面料的特点是富有光泽、手感柔滑、吸湿透气、舒适性较好。

近年来，青岛大学夏延致、朱平等学者通过对海藻纤维结构与性能研究，优化工艺参数，采用湿法纺丝方法成功制备了强力达46.75cN/tex 的高强力海藻纤维。海藻纤维可以说是现在所发现的最完美的衣料，也许不久的将来，到处都可以看到它的身影。大街上，美女们穿着海藻衣盛夏也不会挥汗如雨，更加貌美如花；准妈妈们穿着海藻衣不必担心辐射对还没出生的小宝宝的危害，心情愉快；小女孩玩着身着海藻衣的芭比娃娃，快乐成长；家里，床上是海藻床单、海藻被套，窗户上挂着海藻窗帘；手术室，医生接过海藻纤维的纱布，用海藻纤维制成的手术缝合线完成手术；火灾现场，消防队员身着海藻防护服，更安全更自如。也许你我也都穿着这些用来自海洋的纤维制作的衣服。