金屬基纖維及糖尿病足襪的研究現狀

周清清 陳 瑩 王建坤 唐勁天

(1.清華大學工程物理系醫學物理與工程研究所，北京，100084;2.天津工業大學紡織學院，天津，300387)

1 糖尿病與糖尿病足

糖尿病(diabetes mellitus)是一組以慢性血葡萄糖水平增高為特征的代謝性疾病，是由于胰島素分泌和(或)作用缺陷所引起的［1］。它是一種常見病、多發病，其患病率正隨著人們生活水平的提高、人口老化、生活方式改變而迅速增加，已成為嚴重威脅人類健康的世界性公共衛生問題。據世界衛生組織(WHO)估計，目前全球有超過1.5億糖尿病患者，到2025年這一數字將增加一倍。截至2011年，我國糖尿病的患病人數已達到9 240萬，成為世界上糖尿病患者最多的國家［2］。

1999年WHO對糖尿病足(DF)的定義是:糖尿病患者由于合并神經病變及各種不同程度的下肢血管病變而導致的下肢感染、潰瘍形成和(或)深部組織的破壞［3］。又稱糖尿病肢端壞疽，是糖尿病嚴重的慢性并發癥之一，也是導致糖尿病人致殘死亡的主要原因之一［4］。據統計，有12% ～25%的糖尿病患者可能出現足潰瘍［5］。我國糖尿病患者并發足壞疽的為0.9% ～1.7%，60歲以上的老年患者并發糖尿病足壞疽的占2.8% ～14.5%［6］。發達國家約5%的糖尿病患者出現足的問題，如:在德國，有30萬足部疾病患者歸因于糖尿病，通過診斷4年內50%的患者面臨截肢;在英國，由于糖尿病足引發的截肢率也在不斷增加。發展中國家40%～70%的下肢截肢與糖尿病有關，我國糖尿病患者的截肢率為21% ～66%，截肢后30天內的死亡率為10% ～14%，對患者的危害極大［7］。

引起糖尿病足潰瘍的主要原因有神經病變、血管病變和感染。糖尿病足患者由于下肢血管狹窄或阻塞，導致足部的血流供應減少;同時，足部的神經病變使得足部保護性感覺減退或喪失，輕微創傷就容易導致皮膚潰瘍及傷口久治不愈。因此，與足部直接接觸的襪子和鞋子對于預防和治療糖尿病足具有重要作用，開發具有良好醫用性能的糖尿病足襪子就顯得尤為重要。糖尿病足襪子應具有刺激足部周圍神經，促進血液循環，同時能減少足部潰爛、潰瘍的功能。而金屬離子，如銅離子，是人體所必需的微量元素之一，能夠參與人體生理及新陳代謝活動，在治療傷口愈合方面起著重要作用，包括誘導內皮生長因子、血管再生、穩定細胞外皮膚蛋白質等功能［8］。因此，采用金屬離子將會對足部潰瘍起到一定的治療作用，可降低因感染而導致的糖尿病足致殘率及死亡率。同時要根據糖尿病足患者對足部微環境的要求，采用特殊的紗線結構和織物結構來保持其干燥性、通透性及舒適性等功能，還需注意襪子的線縫及隱性壓迫型幫部等處的設計［9］。

2 金屬基纖維

由于金屬基纖維表面或者內部含有金屬離子，因而具備了高效的廣譜抗菌功能，主要對革蘭氏陽性細菌、革蘭氏陰性細菌、真菌以及病毒起到一定的抑制作用。金屬離子纖維還能夠反射人體的輻射熱作用于人體表面細胞，可促進皮下組織微循環和新陳代謝;同時，還可向人體輻射遠紅外線，從而提高織物的保暖性能。此外，由于金屬離子的導電性能，使得金屬基纖維具有良好的抗靜電、電磁屏蔽功能［10］。早在20世紀中后期，德國、美國等就首先開展了在纖維上鍍銅、銀、鎳等金屬的研究，并開發了相關產品;隨后日本、俄羅斯、中國也相繼開始這方面的研究，現已有許多相關專利［11］。

2.1 金屬基纖維的抗菌機理

雖然許多金屬離子具有殺菌作用，但是常用的金屬離子主要有銀、銅和鋅等，因為有相當一部分離子是對人體有害的重金屬離子，如汞、鎘等。金屬離子主要通過接觸反應殺菌，其作用機理為:金屬離子帶正電荷，當微量金屬離子與帶負電荷的微生物細胞接觸時，依靠庫侖力牢固吸附在細胞膜上;同時金屬離子穿透細胞膜進入細菌體內，與細菌體內蛋白質上的巰基(—SH)、氨基(—NH2)等發生反應，使細菌的蛋白質凝固，破壞細菌的細胞合成酶的活性，造成微生物死亡或喪失分裂增殖能力［12］。

另一種抗菌機理是關于催化反應的假說，在光的作用下，銀、鋅等微量的金屬元素能吸收環境的能量，產生羥自由基(·OH)和活性氧離子(O－2)，能使細菌細胞中的蛋白質、糖苷等與其反應，破壞細菌的正常結構，導致細菌死亡或喪失增殖能力，從而達到抗菌的目的［13］。

2.2 金屬基纖維的制備方法

金屬基纖維的制備主要是采用高分子材料表面金屬化技術，在纖維表面鍍上一層金屬膜。常用的鍍膜方法有化學鍍、電鍍、真空鍍等。化學鍍是在無外加電源的情況下，金屬離子在還原劑的作用下在纖維表面鍍上金屬膜，其最大的缺點是生產過程中容易產生含重金屬離子的污水，在環保方面受到制約［14］。電鍍是利用電流使溶液中的金屬離子還原，在纖維表面形成金屬膜。真空鍍是指在真空狀態下將金屬以原子或分子狀態在紡織材料表面沉積堆砌成納米結構金屬膜，實現紡織材料表面功能化。Foster等［15］采用化學氣相沉積法(CVD)制得鈦/銀和鈦/銅離子的薄膜，不同于以往的CVD，該研究中使用火焰輔助式化學氣相沉積法(FACVD)在玻璃上鍍得金屬基薄膜。與濺鍍法、溶膠—凝膠法及CVD比較，該方法設備相對便宜，可進行規模化工業生產，同時產品具有廣譜抗菌功能。Osorio-Vargasa等［16］對直流磁控濺鍍方法進行改進，采用兩段非對稱直流脈沖磁控濺鍍法在棉織物上鍍上銅離子。這種濺鍍技術能夠在織物上鍍一層較薄的納米銀、銅等金屬離子，但是粒徑大小及分布是否均勻對織物的抗菌性能有重要的影響。該方法制得的金屬離子織物有較好的耐久性及抗菌性，在改善或消除醫院內感染方面有重大意義。我國江南大學王鴻博等［17-18］采用磁控濺鍍法在不同纖維上制備納米金屬基抗菌薄膜，如聚乳酸纖維、丙綸等，考慮了不同厚度的納米結構薄膜對其抗菌性能的影響。試驗結果表明，隨著濺射時間延長，金屬基薄膜厚度增大，膜層致密性變好，試樣的抗菌性能也得到提高。青島大學裴喜華等［19］也利用磁控濺射法在PET基底上制備了納米TiO2抗菌薄膜，同時采用光—氧抗菌實驗法討論了濺射薄膜的抗菌性能。結果表明，濺射后的薄膜比未濺射樣品具有明顯的抗菌性能，但其抗菌性能大小還有待進一步研究。

除了以上介紹的在纖維上鍍金屬膜的方法外，還可采用將纖維或織物放入某些金屬鹽和具有還原特性的溶液中處理獲得金屬離子的方法。Dickerson等［20］將誘捕仿生酶與蛋白質定向合成納米物質結合應用于蠶絲織物的抗菌功能研究。在紡織品抗菌性方面，采用多元法解決了銀納米顆粒、抗菌蛋白與礦物涂層的相容性問題。Gabbay等［21］采用多相浸泡法在纖維素纖維，如棉纖維上鍍上銅離子，或在化學纖維的紡絲原液中添加氧化銅粉末，如聚酯、聚丙烯、聚乙烯等，制得抗菌纖維。此方法工藝設備簡單，無需改變紡絲工藝及機器，制得的纖維具有廣譜抗菌功能，耐洗滌性能好，可大批量生產。試驗表明，這種纖維對人體皮膚沒有過敏反應。

2.3 國內外金屬基纖維的開發

世界上最大的鍍銀纖維品牌是美國諾貝爾纖維科技公司(Noble Fiber Technologies)的X-Static?。該纖維是采用化學鍍在錦綸表面鍍上一層純銀而制成的，這樣既保持了錦綸的原有性能，又具有抗菌除臭、防電磁波輻射、抗靜電、調節體溫、醫療保健等功能特性。另外，美國Sauquoil公司也開發了一種叫Contax的鍍銀纖維。美國杜邦公司將其生產的特殊聚酯纖維CoolMax和Thermolite與鍍銀纖維X-Static以混纖交織等方式相結合，開發了具有防菌和抗靜電性能的全新織物［22］。

日本Toyoshima公司于1999年開發出商標名為μ-func的鍍銀聚酯纖維。它是在透明的聚酯薄膜(厚9 μm)上鍍純銀膜(厚約0.1 μm)，鍍膜上再覆蓋一層同厚度的聚酯膜，然后將其切成230 μm或150 μm 寬的細條絲［23］。2001 年，日本三菱材料公司研制出鍍銀聚酯纖維Agposs，該纖維直徑為15～25 μm，銀的厚度為 0.1 μm［11］。日本東亞紡織品公司通過復合鍍銀長絲和羊毛制造出新一代織物，該材料具有防靜電、防電擊、防血液黏稠、降低衣服內溫度、屏蔽電磁波、抗菌防臭等功能。日本日清紡工業公司在纖維成形過程中采用納米技術添加超細銀粒子，使銀微粒達到4 nm的大小，將其滲入纖維內部，生產出商品名為Agfresh的納米銀纖維［24］。

Cupron銅基抗菌纖維是由美國卡普諾公司開發的一種新型抗菌纖維。該公司指出銅元素不具有生物活性，只有氧化銅的生物活性有效而且持久，因而可以通過共混紡絲在聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚氨酯、聚酰胺等纖維中加入氧化銅粉末。這種方法可以使氧化銅永久性黏合在紡織纖維上，制得的織物經50次洗滌后，其抗菌性能仍可保持不變［25］。圖1［26］為 Cupron 銅基抗菌纖維的表面結構，顯白色亮點的為氧化銅顆粒。

近年來，我國金屬基纖維技術有了一定的發展。山東青島潤森紡織公司采用獨特技術，將銀層牢固地與尼龍基體結合在一起，開發出了銀纖維導電絲。該導電絲與普通化纖絲一樣，具有優異的紡織性能，同時又具有導電、抗菌性能。濟南麗絲特纖維有限公司利用真空鍍、電鍍技術制備出鍍銀纖維［24］。青島亨通偉業特種織物科技有限公司采用化學鍍，即在尼龍纖維表面形成一層銀鍍層，這種纖維具有表面電阻低、鍍層結合力強的優點，目前已開始批量生產鍍銀纖維及產品［11］。

圖1 Cupron銅基抗菌纖維的表面結構

3 金屬基糖尿病抗菌襪的發展概況

Copper SoleTMSocks是由美國Renfro公司研發的產品，采用12%Cupron銅基抗菌纖維與78%滌綸、9%尼龍和1%萊卡混紡而成。該襪具有優良的舒適性和防護性能，能夠有效地治療足部開裂、水泡等癥狀，其抗菌性高達 99.9%［27］。

SmartKnit?無接縫糖尿病寬統口襪由美國Therawear公司研制。該襪采用X-Static和CoolMax纖維針織而成，可以殺死細菌和真菌，同時可以把毛細孔水分從皮膚表層排離到襪子的外部，保持較衛生的襪內環境。該襪完全無接縫且比較柔軟，舒適如人的第二層皮膚。其織造方法類似蠶的吐絲作繭，從腳趾開始環繞而上到頂端，使得該襪完全無線縫，減少了襪子起皺和堆積的風險，可防止足部潰瘍和水泡的產生［28］。

銀纖維抗菌襪是由青島潤森紡織有限公司研發生產的，它采用高科技銀纖維與高檔精梳優質棉混紡制成。該襪能夠促進糖尿病患者腳部血液循環，殺滅腳部細菌，加速腳部傷口的愈合，起到預防糖尿病患者腳部疾患的作用［29］。

與普通襪相比，糖尿病足襪除需要有一定的抗菌功能外，在襪子設計及纖維選用方面還應有一定的特殊性。Easy WalkerTM雙層糖尿病足襪由美國Ames Waker Support Hosiery Center設計生產，它具有良好的透氣性和耐久性，非常柔軟、舒適，關鍵是它能夠有效預防足部起水泡，對糖尿病人有理想的療效［9］。在行走過程中，由于腳趾間不斷的摩擦，傷口附近的細菌容易造成組織深度感染，五指襪的開發能夠給腳趾提供舒適的空間，降低足部細菌感染率［30］。采用具有相變特性的 Outlast纖維織制的襪子能夠有效吸收和儲存人體熱量，并在外圍氣溫降低時再將熱能釋放給穿著者，有效調節襪子內部的熱量，控制足部的溫度，降低糖尿病患者由于足部不敏感而容易受傷的風險［31］。

目前金屬基糖尿病足襪的研發還處于初期。抗菌纖維采用的金屬離子在應用中還有一些不足［32］:①金屬離子制得的纖維成本較高;②抗菌劑中Ag+等金屬離子的緩釋性，即抗菌作用的耐久性也有待更深入的研究;③不同的金屬離子可以賦予纖維或織物不同的功能，但含多種離子的多功能纖維或織物還有待進一步開發。同時還需從纖維的選用、襪子的設計以及編織方式等方面來改善襪子的穿著舒適性，有效地治療糖尿病所引發的足部潰瘍、細菌感染等一系列問題。

綜上所述，我國在糖尿病足襪及其相關治療護理性產品方面的研發比較少，國外產品則相對較多，但是其價格昂貴。發達國家普通糖尿病足襪的價格在 9.95 ～24.95 美元［9］，導致我國糖尿病患者在經濟上難以長期承受，而且由于我國病患人數較多，在數量上也不能滿足大眾的需求。面對這樣的市場需求，研發人員應加緊開發糖尿病足襪產品，擁有國內獨立自主的品牌，以此來緩解我國糖尿病足襪及其相關護理性產品嚴重緊缺的現狀。

4 結語

目前糖尿病足的治療還沒有十分有效的手段。大量的臨床試驗表明，糖尿病足的潰瘍和壞疽有潛在感染的危險，致使感染創面不易愈合。故首先需要預防和控制感染，其次需要促進肉芽組織生長，加速創口潰瘍愈合［33］。而金屬基糖尿病足襪則可通過金屬離子刺激足部周圍神經，促進血液循環，同時還具有一定的抗菌功能，保證足部不受細菌侵害。通過金屬基纖維與其他纖維的結合，以及織物結構的設計，使糖尿病足襪具有一定的彈性、柔軟性與舒適性，避免足部受到擠壓，能夠保護足部皮膚，還可附加如吸濕排汗和保暖等功效。因此，利用金屬離子的醫用功能，設計具有良好舒適性和醫用性的金屬基糖尿病足襪將具有廣闊的應用前景和重大的社會效益。

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