生物基广谱抗菌纺织品的研究及发展趋势

 

摘要：现有卫生用纺织品与医疗防护用纺织品对病毒、细菌主要为物理阻隔，本身没有有效抗病毒抗菌功能。大多数抗菌纺织品通过在纤维生产或织物整理时添加抗菌剂获取功能，存在对于环境有潜在危害（无机类抗菌）、对人体有潜在毒性（有机类抗菌）、效果不持久稳定（天然类抗菌）等问题。

2016年，陶肖明教授的团队首次发现生物基广谱抗菌材料——聚羟基链烷酸酯共混纤维（禾素）及其纺织品，具有本征持久性的广谱抗菌抗病毒功能，为抗菌纺织品的发展开拓了新的方向。

 一、趋势与现状

近年来，中国、美国、德国、日本等国在抗菌纺织品市场中占据主导地位。世界上最大的抗菌纺织品生产商位于亚太地区。主要生产抗菌纺织品的公司有Unitika贸易有限公司、Birlacril、金达纳米科技(厦门)有限公司、Surgicotfab textiles Pvt.Ltd、Sanitized AG。

全球抗菌纺织品市场规模2019年为94.68亿美元，预计到2024年将达到123.13亿美元，复合年增长率为5.4%。在抗菌纺织品的应用方面，医疗保健行业正逐步取得领先地位。截至2020年8月底，中国的医疗卫生机构数达102.0万家。其中医院从2009年的2万家上升到2020年3.5万家，含公立医院1.2万家，民营医院2.3万家。由此可见，抗菌纺织品的市场空间巨大。 

 现有卫生用纺织品与医疗防护用纺织品对病毒、细菌主要为物理阻隔，本身没有有效抗病毒抗菌功能。大多数抗菌纺织品通过在纤维生产或织物整理时添加抗菌剂获取功能，存在对于环境有潜在危害（无机类抗菌）、对人体有潜在毒性（有机类抗菌）、效果不持久稳定（天然类抗菌）等问题。医疗保健行业急需一种安全、高效、稳定的抗菌医疗卫生用纺织品。

  

二、 探索与发现

 香港理工大学的陶肖明教授，自2002年以来担任香港理工大学纺织及制衣学系纺织科技的讲座教授。陶教授在2007年至2010年担任国际纺织学会世界会长、2011年国际纺织学会颁授的荣誉院士，纺织领域的最高个人奖、2013年获美国纤维学会颁授创始人奖项，纤维科学技术领域的最高奖项、美国机械工程师学会院士，以及英国皇家艺术、设计及商业研究院院士。同时，陶教授是斯普格林出版的“智能纺织手册”的主编，并担任该领域十多种重要学术刊物的编委。陶肖明教授以其在智能纤维材料，纳米技术，光子纤维和织物，柔性电子和光子器件，纱线生产及纺织复合材料方面的领先研究成果享誉国际。

 作为科学发明的伟大奉献者，陶教授领导了一批多产技术发明家，拥有28项国际和国家专利。其中十多项发明技术专利已授权给世界各地的公司在工业上应用。其中的扭妥纺纱技术，已在全世界的11纱线生产企业使用，从2005到2013年期间生产了超过价值105亿港元的新型纺织品和服装。

 2016年，陶肖明教授的团队首次发现生物基广谱抗菌材料——聚羟基链烷酸酯共混纤维（禾素）及其纺织品，具有本征持久性的广谱抗菌抗病毒功能，为抗菌纺织品的发展开拓了新的方向。

织物纤维成分	菌类	抑菌率	抑菌指数
禾素（PHBV/PLA）纤维	S. aureus K. pneumoniae C. albicans	99.99% 99.99% 99.31%	4.0 4.0 2.2
聚乳酸纤维	S. aureus K. pneumoniae C. Albicans	36.31% 53.71% 41.08%	< 1.0 < 1.0 < 1.0
PHBV纤维	S. aureus K. pneumoniae	99.70% 97.20%	2.5 1.6
甲壳素纤维	S. aureus K. pneumoniae C. Albicans	96.90% 90.50% 97.62%	1.5 1.0 1.6
尼龙6纤维	S. aureus K. pneumoniae C. Albicans	32.22% 63.30% 37.24%	< 1.0 < 1.0 < 1.0
涤纶纤维	S. aureus K. pneumoniae C. Albicans	0.00% 0.00% 0.00%	0.0 0.0 0.0
Text. Res. J. 87(20), 2464-2474. 2017

（2019年的国际标准 ISO 18184: 2019(E)，是首个抗菌织物国际标准。3级（99.9%）或以上优秀；2级（99%）到 3 级良好。）

 

三、禾素纤维的特点

3.1 高效抗菌抗病毒

禾素纤维（PHBV/PLA）抗菌的有效成分-羟基丁酸脂（PHB)，能够有效破坏细菌等微生物的细胞壁和病毒的胞膜，使其内物质外泄，致使代谢失衡，从而抑制细菌滋生和灭活病毒，从而达到抗菌抗病毒的效果。

经国内第三方权威机构检测，禾素纤维对金黄色葡萄球菌、肺炎杆菌、宝色念珠菌的抗菌率都超过99.99%、对耐药性金黄色葡萄球菌的抗菌率超过99.97%；对H1N1和H3N2病毒的灭活率也超过99.99%，灭活指数大于4.0。

 通过扫描电镜显示，细菌生物膜破坏，细胞壁受损穿孔。蛋白质溢出变性。

 

 （S-PHB破坏了生物膜）

 

 

3.2 无刺激和毒性

经刺激性实验显示，适当剂量的PHB低聚物对皮肤无刺激和毒性，可应用于保健纺织品。

       

（Fig. a S-PHB对BALB/c小鼠皮肤组织的影响）

（Fig. b S-PHB处理裸鼠72h后的皮肤照片）

 

3.3 低温染色 节能环保

禾素纤维（PHBV-PLA ）可降解成水和二氧化碳，无污染物残留，同时纤维染色工序的耗电量比涤纶的染色工序少32%。

 

（PET与PHBV/PLA染色工艺的比较）

 

四、应用和延伸

2019年，禾素纤维医护用纺织品在香港理工大学附属医院开始应用。负责纺织品制造的南京禾素时代抗菌材料有限公司也因此成为香港“减少医院获得性感染的固有纺织品”项目唯一抗菌抗病毒医护产品供应商。

 

（抗菌抗病毒医护产品实物）

南京禾素时代抗菌材料科技有限公司是国家高新技术企业。在陶肖明教授的指导下，在PLA、PET等纺织品中创新性加入生物基可降解材料PHBV（聚羟基丁酸戊酸酯）抗菌母粒，研发出“禾素”、“禾合”系列产品，赋予纺织品非溶出性抗菌抗病毒功能，安全稳定性更高，祛异味功效明显，可广泛应用于医疗用品、纺织服饰、家纺用品、母婴护理、女性用品、个人防护等多个领域。

4.1 抗菌婴童面料

抗菌、舒适、护肤是婴童面料的未来发展趋势，也是相关企业开发和关注的热点。禾素（COTTON/PHBV/PLA）70/30针织婴童面料，经第三方权威机构检测，抗病毒活性率达87.54%。并且经过AAA级洗涤标准，面料具有柔软、细腻、抗菌、护肤等特性，在保证婴童面料舒适度的情况下，增加了安全稳定的抗菌功能，有效呵护婴童皮肤健康。

（具有生物基抗菌功能的婴童面料）

4.2 抗菌牛仔面料

柔软舒适、保健抗菌是牛仔面料的未来发展趋势。禾素牛仔面料完美的继承了禾素纤维高效抗菌的特性，在对H1N1、H3N2的抗病毒检测中活性率达到99.94%，对脊髓灰质炎病毒的抗病毒活性率达到99.19%。对于喜欢穿着，但有担心经常水洗会变色的牛仔服饰爱好者来说，即使不经常水洗也可以有效抵御细菌和病毒的侵袭。

（具有生物基抗菌功能的牛仔面料）

4.3 抗菌无纺布

禾素抗菌无纺布具有绿色抗菌、环保健康的特点，在此基础上可以开发的C端护理用品极为广泛，例如卫生巾、婴儿纸尿裤、棉柔巾、湿巾等。与市面上主要产品相比，在保证柔软、吸水等特质的情况下，增加了无添加剂、生物基安全抗菌的差异化优势，有效提升了产品的品质和竞争力。

（具有生物基抗菌功能的无纺布产品）

五、前景与挑战

禾素系列纤维可以匹配不同的纺织工艺，使纱线、面料的生物基抗菌性能更稳定、更高效、更安全，随着各环节技术的突破和创新，更多高品质的功能性禾素产品还会陆续投放市场，有助于提升市面上传统产品的附加值和市场竞争力，这也是禾素系列纤维产品开发的初衷和方向，让更多家庭可以享受到高品质的健康生活。

同时，作为一种新型的生物基抗菌纤维，急需建立该类抗菌抗病毒纤维纺织品的生物、物理、化学性质、有关机理与加工性能和工艺的关系，该类生物本征持久抗菌抗病毒产品的产业标准体系亟待建立。