Использование минеральных добавок в функциональном текстиле

DOI:

В последнее время в производстве текстиля выделилось направление, связанное с добавкой в волокно неорганических веществ, минералов, биокерамики, благородных металлов способных излучать инфракрасные лучи в дальней области спектра. Одежда с добавками излучающими инфракрасный (ИК) спектр оказывает положительные эффекты на тело человека (Leung, 2015). Эти свойства тканей особенно привлекательно выглядят для применения в изделиях, используемых в медицине и спорте (Libanori, 2022).

При исследовании влияния ИК на организм человека установлены следующие положительные эффекты. Наиболее часто обнаруживаемое влияние тканей с ИК – это термоэффекты, увеличение кровотока (Molina, 2016), влияние на массу тела (Luis Augusto and Munin, 2011; Luis Augusto and Munin, 2013), уменьшение боли и улучшение качества сна (Silva et al., 2009). Улучшение кровообращения помогает снизить болевые ощущения (Santos E Campos, 2017), быстрее удалить гематомы, поддержать терморегуляцию тела (Zuo, 2023). Помимо этого, эти текстильные изделия показывают перспективы ускорения восстановления у спортсменов или людей, проходящих физиотерапию.

По сравнению с традиционными медицинскими решениями текстильные изделия обладают уникальными преимуществами. Во-первых, одежда может обеспечивать длительный терапевтический эффект, поскольку ее носят в течение длительного времени, часто 8–10 часов и более. Более того, эти текстильные изделия распределяют свое воздействие по всему телу, что не имеет себе равных среди большинства медицинских устройств, которые обычно воздействуют на локализованные области.

Другое преимущество заключается в неинвазивной природе одежды. В отличие от лекарств, которые подразумевают прием внутрь химических веществ, способных иметь долгосрочные побочные эффекты, терапевтический текстиль работает снаружи, сводя к минимуму риски токсичности или побочных реакций. Это делает его особенно привлекательным для долгосрочного исполь- зования или для людей с чувствительностью к традиционным методам лечения.

Применение тканей с ИК в области спорта показало улучшение производительности, скорейшее восстановление и уменьшение болезненности мышц после тренировки (Loturco et al., 2016; Nunes et al., 2020) и снижение потребления кислорода во время тренировки при выполнении упражнений низкой интенсивности. Одновременно со снижением потребления кислорода, одежда, создающая излучение в длинноволновом диапазоне, логично повышает эффективность использования кислорода клетками человека (Worobets, Skolnik and Stefanshyn, 2015)

В качестве биокерамики, излучающей инфракрасное излучение, в основном используются неорганические оксиды, такие как Al2O3, SiO2, MgO, TiO2 и ZnO и др. Нередко в качестве добавки используют природные минералы: мейфан, нефрит, турмалин, слюду (Vatansever and Hamblin, 2012). Помимо неорганических оксидов необходимо отметить добавку в текстиль углеродных материалов, а в частности графена, который имеет хорошую теплопроводность и хорошо отражает инфракрасное излучение.

Существуют промышленные производства тканей с функциональными неорганическими добавками, фокусирующиеся на двух областях: спорт и медицина. Компания Celliant использует смеси оксидов титана, кремния и алюминия для отражения ИК излучения обратно к телу человека, что приводит к улучшению снабжения тканей кислородом (celliant.com). Продукты компании Celliant признаны FDA медицинским оборудованием. Корейская компания Ventex Co Ltd добавляет в пряжу более 30 неорганических добавок обладающих различным эффектом на тело человека (ventexkorea.com). Их продукты с торговыми марками Megaheat и Powerkler обладают способностью улавливать тепло от человеческого тела и возвращать ИК излучение обратно, что повышает скорость кровотока на 11,2 %. Компания Underarmour выпускает коллекцию одежды RecoverTM с минеральными добавками ускоряющими восстановление после занятий спортом (underarmour.com). В 2020 году компа- ния получила патент на данную разработку, согласно которому в пряжу либо в принт добавляют кремний, карбид циркония, оксид алюминия и другие материалы (Patent US10563349B2). Не только оксиды и минералы используются как добавка к пряжам. Японская копания Bioface Co Ltd добавляет в пряжу наночастицы платины для улучшения синтеза коллагена с положительным влиянием на кожу человека.

Актуальность разработок текстиля с минеральными добавками и области применения огромны. Его можно использовать для лечения хронических заболеваний, таких как плохое кровообращение у больных диабетом, для облегчения мышечной боли или даже для поддержки послеоперационного восстановления. Для пожилых людей этот текстиль может играть важную роль в поддержании здоровья сосудов и предотвращении осложнений, таких как тромбоз глубоких вен. Помимо медицинского применения, ткани с положительным влиянием на систему кровоснабжения человека будут успешно применяться в повседневной жизни и в спорте для ускорения восстановления после тренировок, для предварительного разогрева мышц, позволяющего снизить вероятность травм, для улучшения снабжения мышц кислородом, что приводит к росту спортивных показателей и меньшей утомляемости в любительском спорте. В данной работе приведены результаты разработки тканей с тремя видами добавок – гематита, охры и графена, целью которых являлось определения их влияния на тело человека в состоянии покоя и при выполнении физических упражнений. Исследования были ориентированы на последующее возможное применение подобных функциональных тканей в спортивной одежде. Методы и материалы

Полипропилен для изготовления пряжи закуплен у нидерландской компании LuondellBasel. Графен получен от сингапурской компании 2DM Materials Pte Ltd. Минеральные добавки – красная охра и гематит в виде измельченной руды, были куплены у сингапурской компани Joo Huat Trading Pte Ltd.

Минералы проходили стадию дробления на дисковом измельчителе 150 Lab Pulverizer компании Ganzhou Li Ang Machinery Pte Ltd с последующим измельчением в шаровой мельнице мокрого помола компании ELE модели ESW-1.0. Средний размер частиц после помола составлял 1,90 мкм, с диаметром D90 = 2,93 мкм для гематита и соответственно 1,72 мкм с диаметром D90 = 2,48 мкм для красной охры. Сушка частиц после помола проводилась в распылительной сушилке компании Xiamen Ollital Technology Co. Ltd. Температура горячего воздуха для сушки составляла 270 ° С.

Полученные пудры гематита и красной охры исследовали с использованием рентгеноструктурного анализа с определением составов на приборе Shimadzu XRD-6000. Опрделенные составы гематита: SiO2 – 2,64 %, Fe2O3 – 83,98 %, Al2O3 – 1,87 %, CaO – 5,75 %, P2O5 – 5,39 %; охры: SiO2 – 14,51 %, Fe2O3 – 69,34 %, Al2O3 – 10,98 %, CaO – 1,94 %, TiO2 – 1,71 %.

Приготовление нити и полотна с функциональными добавками

Компаундирование полимера с функциональными добавками производили на экструдере-компаундере фирмы Wuhan Ruiming (Китай). Целевое содержание добавок в полипропилене составляло 2 % массовых.

Нить производилась на лабораторном экструзионном модуле компании FET (Великобритания) с червяком диаметром 25 мм; соотношением длины к диаметру – 30. Скорость вращения червяка составляла 20 оборотов в минуту. Температуры приемной зоны полимерных гранул и четырех зон нагрева экструдера составляли 200, 210, 220, 220 и 240 градусов. Температура полимерного насоса – 250 градусов, а воротника фильеры – 240 градусов. Для изготовления нити использовали фильеру с 48 отверстиями с диаметром отверстий 0,4 мм, что позволяло при вышеприведенных параметрах экструзионного модуля получать нить с линейной плотностью 75 денье (8,33 текс).

Трикотажное полотно производилось на циркулярной машине компании Heifei AT250 Lab Kmitter Anytester Китай с калибром 24, диаметром барабана 40 см.

Содержание гематита и охры в тканях проверили с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии на приборе компании Jeol модель JSM 7600F. Элементное содержание компонентов добавок хорошо видно для обоих тканей (рисунок 2).

Метод FESEM-EDX не является количественным, а сами волокна достаточно трудный объект для такого анализа. Но данный результат позволяет заключить, что добавки присутствуют в конечном продукте.

Эмиссия тканей в диапазоне 4–15 мкм, что максимально приближено к диапазону эмиссии человеческого тела, была измерена при 34 ° С с использованием тестера Far Infrared Emissivity Analysis System (HOTECH EMS302M, Тайвань).

Рисунок 1 – Нити и трикотажные полотна:

1А – образец сравнения – полипропилен без добавок; 1Б – полипропилен с графеном;

1С – полипропилен с гематитом; 1Д – полипропилен с красной охрой

Figure 1 – Yarns and knitted fabrics:

1A – reference – polypropylene without additives; 1B – polypropylene with graphene;

1C – polypropylene with hematite; 1D – polypropylene with red ochre

Эфюзивность пленок при 24 °C была измерена при помощи измерителя тепловой эфюзивности Thermtest (Канада). Эфюзивность представляет собой скорость, с которой материал поглощает тепло. При низких значениях эфюзивности материал ощущается теплым на ощупь, при высоких значениях – холодным. Эфюзив-ность определялась по стандарту ASTM D7984-16.

Испытания на волонтерах

Испытания одежды с добавками на волонтерах проводились на факультете спорта Национально- го Института Образования Сингапура, согласно протоколу, утвержденному комитетом по биоэтике IRB 2022-747 Investigation of the effect of functional apparels on the blood flow during exercise (Nanyang Technological University). Протокол включал две стадии исследования: влияние функциональных тканей на показатели волонтеров в состоянии покоя и во время выполнения физических упражнений, что является стандартом в такого типа исследованиях (Leung, 2013).

Рисунок 2 – Содержание элементов в тканях с добавками гематита (слева) и охры (справа) Figure 2 – Content of chemical elements in fabrics with additives hematite (left) and ochre (right)

В состоянии покоя волонтеры проходили десятиминутную стадию адаптации в положении сидя, после чего выполнялись измерения исходных показателей организма человека. Затем волонтер менял одежду на образец с функциональными добавками или образец плацебо и находился в состоянии лежа 30 минут. В течении этих 30 минут постоянно измерялись средняя температура тела и показатели метаболизма. После окончания опыта, как и перед опытом, у волонтеров измеряли давление, диаметр локтевой артерии и скорость кровотока в ней.

При выполнении упражнений волонтеры проходили адаптацию в течении 10 минут, на протяжении которых выполнялась разминка. После этого у волонтеров измеряли вес, давление, диаметр локтевой артерии и величину кровотока в ней. При выполнении упражнения на велотренажере волонтеры поддерживали постоянный пульс 130 ударов в минуту. На протяжении выполнения упражнений выполнялось постоянное измерение частоты сердечных сокращений, средней температуры тела и показателей метаболизма. Фотографии проведения двух частей эксперимента приведены на рисунке 3.

Для каждого образца ткани и для образца плацебо все измерения проводились на 14 волонтерах в состоянии покоя и на 18 волонтерах при выполнении упражнений. Возраст волонтеров составлял 21–30 лет. Волонтеры подбирались не курящие и не имеющие хронических заболеваний, с индексом массы тела, находящимся в пределах 20–24.

Измерение скорости кровотока и диаметра локтевой артерии проводили ультразвуковым прибором Mindray М7. Измерение средней температуры тела проводили по стандарту ISO 9886:2004 Ergonomics – Evaluation of thermal strain by physiological measurement по 8 точкам с использование беспроводных сенсоров с памятью iButton 700 DS1925L-F5 компании Mouser Electronics.

Рисунок 3 – Исследование влияния функциональной ткани на волонтерах в состоянии покоя (слева); и при выполнении упражнений на велотренажере (справа)

Figure 3 – Study of the effect of functional fabrics on volunteers at resting condition (left);

and during exercise on the stationary bicycle (right)

Измерение метаболизма волонтеров, концентрацию кислорода и углекислого газа проводили на оборудовании компании Biopack (USA). Для измерения частоты сердечных сокращений использовали нагрудный пояс Polar.

Результаты и обсужденияЭмиссия тканей с добавками

Эмиссия в длинноволновом инфракрасном диапазоне базового образца и образцов тканей с добавками минеральных пудр показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Эмиссия тканей в диапазоне волн 4–15 мкм по соотношению к эмиссии черного тела Figure 4 – IR emission of fabric samples at 4–15 µm wavelength range relative to blackbody emission

Полипропиленовая ткань сравнения имела молочный цвет полимера и, как и ожидалось, не показала высокую эмиссию по причине невысокой способности поглощать тепло. Все добавки существенно увеличили эмиссию матерала, при этом графен и охра показали найвысшую эффективность.

Полипропилен относят к охлаждающим тканям по причине гидрофобности и хорошего отведения влаги, и большой теплоемкостью (Abada, 2022). Помимо этого, полипропилен более прозрачен для ИК излучения по сравнению с полиэфиром и нейлоном. Все эти свойства оказали влияние на значение эфюзивности образцов, полученных на базе полипропилена. Значение эфюзив-ности ткани сравнения и тканей с внедренными добавками приведены на рисунке 5.

Чистый полипропилен имет более высокую эфюзив-ность, по сравнению с композитами, в которые добавили графен и минеральные добавки. То есть все добавки сдвинули эфюзивность полипропилена в зону более теплого тактильного ощущения, что ожидаемо, поскольку все добавки показали высокую способность задерживать и эммитировать тепло.

Влияние тканей с функциональными добавками на волонтеров в состоянии покоя

Изменение и процент изменения физиологических параметры волонтеров, испытывающих ткани с добавками в состоянии покоя приведены в таблице 1.

Из таблицы 1 видно, что ткани с добавками не позволили опуститься систолическому давлению волонтеров, находящихся в состоянии покоя, как в случае с тканью сравнения. Одновременно ткани с добавками незначительно увеличили диастолическое давление. Изменение диаметра локтевой артерии более заметно. За 30 минут покоя интенсивность кровотока волонтеров замедлилась и диаметр артерии сократился, что видно на примере волонтеров испытывающих ткань сравнения. Ткани с добавкой гематита и охры оказали положительный активирующий эффект на систему кровоснабжения волонтеров, в результате чего диаметр локтевой артерии даже увеличился по сравнению с начальной точкой измерения. Такой же тренд мы видим и для показателя скорости кровотока. Он уменьшился во всех случаях за 30 минут покоя, но ткани с охрой и гематитом показали не такое быстрое уменьшение кровотока по сравнению с тканью сравнения и тканью с графеном.

Рисунок 5 – Эфюзивность исследуемых образцов Figure 5 – Effusivity of studied fabric samples

Таблица 1 – Изменение параметров тела волонтеров под влиянием тканей с разными добавками в состоянии покоя

Table 1 – Changes in volunteers' body physiological parameters under the influence of fabrics with different additives at resting condition

Изменение измеряемого параметра	Ткань из чистого полипропилена		Ткань с добавкой 2 % графена		Ткань с добавкой 2 % гематита		Ткань с добавкой 2 % охры
	Δ	%	Δ	%	Δ	%	Δ	%
Систолическое давление, мм.рт.ст.	– 3,9	– 3,54	– 3,4	– 3,11	– 1,1	– 1,02	– 1,0	– 0,92
Диастолическое давление, мм.рт.ст.	+ 0,1	+ 0,14	+ 0,5	+ 0,62	+ 1,2	+ 1,73	+ 1,2	+ 1,73
Диаметр локтевой артерии, мм	– 0,6	– 1,61	– 0,5	– 1,32	+ 0,1	+ 0,26	+ 0,3	+ 0,80
Скорость кровотока, мл/мин	-61,7	-54,2	-58,4	-58,01	-32,8	-37,35	-44,4	-42,07
Температура груди, ° С	+ 1,09	+ 3,62	+ 1,1	+ 3,64	+ 1,27	+ 4,12	+ 1,60	+ 5,04
Температура спины, ° С	+ 2,09	+ 6,20	+ 2,01	+ 6,03	+ 2,42	+ 7,41	+ 2,52	+ 7,78

Влияние тканей с функциональными добавками на волонтеров при выполнении упражнений

При выполнении упражений было измерено больше физиологических параметров по сравнению с экспериментом, где волонтеры находились в состоянии покоя (таблица 2).

Последние четыре параметра в таблице 2 приведены на время окончания эксперимента, а остальные измерения отражают разницу между начальным состоянием организма волонтеров и состоянием после выполнения упражнений в течение 30 минут.

Среди всех измеренных параметров наибольшие отличия видны в диаметре локтевой артерии и скорости кровотока, где охра и гематит показали наибольший прирост. По воздействии гематита на организм волонтеров необходимо отметить наибольшую потерю массы тела, наибольшее увеличение температуры тела, наибольшее увеличение скорости кровотока, наименьшее падение концентрации глюкозы в крови и наибольшее окисление жиров. Несмотря на схожесть элементного состава гематита и охры, воздействие охры на организм человека при выполнении физических упражнений несколько иное. Очевидно, что охра привела к сдвигу метаболизма на подавляющее использование глюкозы. Именно при исследовании влияния ткани с добавкой охры получено наибольшее падение концентрации глюкозы и увеличение количества лактата (продукта распада глюкозы) в крови, а также наибольшее содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе.

Ткань с графеном по измеренным показателями заняла промежуточное положение между тканью сравнения и тканями с минералами, выделившись от других исследуемых образцов лишь самым низким значением температуры тела волонтеров. Можно предположить, что добавка графена увеличила теплопроводность ткани, что способствовало лучшему отводу тепла.

Выводы

Использование тканей с введением в них неорганических материалов, способных отражать или эмитировать энергию человеческому телу в инфракрасном диапазоне, оказывает положительный эффект человеческому организму как в состоянии покоя, так и при выполнении физической актвиности. Добавка 2 % массовых гематита и охры к тканям, из которой была пошита одежда для волонтеров, улучшила кровоснабжение волонтеров как в состоянии покоя, так и при выполнении упражнений, увеличив диаметр кровеносных сосудов и интенсивность кровотока. При выполнении физических

Таблица 2 – Изменение параметров тела волонтеров под влиянием тканей с разными добавками при выполнении физических упражнений

Table 2 – Changes in volunteers' body physiological parameters under the influence of fabrics with different additives during physical exercise

Измеряемый параметр Ткань из чистого полипропилена Ткань с добавкой 2 % графена Ткань с добавкой 2 % гематита Ткань с добавкой 2 % охры Изменение массы тела, г – 353,7 – 389 – 401,9 – 377,8 Изменение концентрации глюкозы, ммоль/л – 0,74 – 0,68 – 0,49 – 0,98 Изменение концентрации молочной кислоты, ммоль/л + 4,61 + 4,92 + 4,91 + 5,11 Изменение диаметра локтевой артерии, мм + 0,3 + 1,0 + 1,7 + 1,8 Изменение скорости кровотока, % превышение от изначального значения + 108,2 + 128 + 149,6 + 127,5 Изменение средней температуры кожи, ° С + 0,61 + 0,45 + 0,82 + 0,47 Потребление кислорода (VO2), мл/(кг∙мин) 27,0 27,5 26,5 29,3 Выделение углекислого газа (VCO2), мл/(кг∙мин) 32,7 33,0 33,7 34,8 Окисление углеводов, г/мин 62,7 63,7 68,5 65,1 Окисление жиров, г/мин 9,3 9,5 11,7 9,14 упраженений на протяжени 30 минут добавка гематита увеличила скорость кровотока волонтеров на 146 %, тогда как одежда сравнения показала увеличение данного параметра на 108 %. Добавка графена и охры не привели к такому перегреву тела волонтеров во время выполнения упражнений, какой показала одежда сравнения. Температура волонтеров выполняющих упражнения в одежде с графеном и охрой выросла на 25 % меньше по сравнению с показателем, полученным при исследовании одежды сравнения.

Предполагается, что добавка неорганических веществ, способных эммитировать инфракрасный свет, затрагивает клеточный метаболизм. Это заметно по измеряемым макропараметрам, но достоверное утверждение возможно лишь при проведении более глубоких исследований.

Наиболее очевидный положительный эффект неорганических добавок, улучшающих кровоснабжение, может быть использован при изготовлении спортивной одежды и тканей, применяемых в медицине.

Работа выполнялась по гранту Министерства образования Сингапура – TIER 1 RT06/2021.