埃博拉疫情防控正壓生物防護服研究

吳金輝，郝麗梅，王潤澤，衣 穎，祁建城

埃博拉疫情防控正壓生物防護服研究

吳金輝，郝麗梅，王潤澤，衣 穎，祁建城

目的：研究正壓生物防護關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)用于埃博拉個人防護的系列正壓生物防護服。方法：采用聚氨酯雙面貼膜研究正壓生物防護服復(fù)合面料，設(shè)計全身式和半身式正壓生物防護服結(jié)構(gòu)；采用高性能風(fēng)機和控制系統(tǒng)，研究電動送風(fēng)系統(tǒng)；參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對系列正壓生物防護服進行安全性評價。結(jié)果：研制的聚氨酯復(fù)合面料復(fù)合正壓生物防護服符合防護要求，研制了系列正壓生物防護服，防護服正壓差＞150 Pa，噪音＜70 dB，連續(xù)工作時間＞4 h，對0.3 μm粒徑氣溶膠整體防護因子＞100 000，整體防液體滲透性能滿足標(biāo)準(zhǔn)GB 24539—2009要求。結(jié)論：研制的系列正壓生物防護服可以應(yīng)用于埃博拉等烈性傳染病的醫(yī)護人員高水平個人防護。

埃博拉病毒；個人防護；正壓生物防護服

0 引言

2014年2月，西非爆發(fā)了有史以來最嚴(yán)重的埃博拉疫情。2014年10月30日，世界衛(wèi)生組織通報，此次埃博拉疫情已導(dǎo)致至少5 000人死亡，以及13 000人感染；在幾內(nèi)亞、利比里亞和塞拉利昂這3個病毒廣泛擴散和嚴(yán)重傳播的國家，病毒傳染繼續(xù)呈上升趨勢。在抗擊埃博拉疫情的同時，醫(yī)護人員本身的安全形勢也日趨嚴(yán)峻，加強醫(yī)護人員的個人防護也成了研究的重點之一。目前，在西非的埃博拉醫(yī)護人員一般穿戴多層連體式生物防護服、頭套、口罩、面罩、多層手套、防護靴，基本做到了全身防護。但值得注意的是，已有超過400名醫(yī)護人員在西非感染埃博拉，其中233人死亡，醫(yī)護人員依然是埃博拉病毒感染的高危人群。為此，世界衛(wèi)生組織建議提高醫(yī)護人員防護等級，以加強個人防護安全性[1]。

埃博拉病毒在生物安全分級上屬于感染性最強“四級”病毒，對其研究應(yīng)在生物安全四級實驗室中進行，并需要操作人員穿戴正壓生物防護服等個人防護裝備[2]。埃博拉病毒感染者的血液、體液、嘔吐物、排泄物中均含有埃博拉病毒，且主要通過接觸感染。醫(yī)護人員在對感染者進行醫(yī)療護理時，面對的將是一個隨時爆發(fā)的“感染源”。從感染的醫(yī)護人員數(shù)量分析，目前采取的個人防護措施遠(yuǎn)未能達(dá)到安全隔離的要求。

本文主要分析了國外正壓生物防護服的特點和研究現(xiàn)狀，結(jié)合我國正壓生物防護服的現(xiàn)實需求，研究了正壓防護服形成、裝備結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵材料和安全性評價，研制了全身式正壓生物防護服和半身式正壓生物防護服，有望顯著提高我國醫(yī)護人員抗擊埃博拉等烈性傳染性病毒的個人防護能力。

1 正壓生物防護服研究現(xiàn)狀

1.1 正壓生物防護服分類

正壓生物防護服按照結(jié)構(gòu)形式可以分為全身式正壓生物防護服和半身式正壓生物防護服。前者的頭部、軀干和四肢連在一起，向穿著人員提供全身防護；后者由頭罩和披肩構(gòu)成，主要防護穿戴者的頭部，因此須與其他類型的生物防護服配套使用。

按照供氣方式，正壓生物防護服可分為壓縮氣源式正壓生物防護服和電動送風(fēng)過濾式正壓生物防護服[3]。壓縮氣源式正壓生物防護服采用向防護服內(nèi)接入壓縮空氣的供氣方式。壓縮氣源一般為固定式生命支持系統(tǒng)，因此限制了穿著者活動范圍，一般在實驗室等固定場所使用。電動送風(fēng)式正壓生物防護服由于靠自身攜帶風(fēng)機、電池及過濾單元進行防護服內(nèi)送風(fēng)，因此不受長管和氣源的限制，穿著者活動范圍也不受限制，可廣泛用于醫(yī)療護理、野外采樣、處置等環(huán)境。

1.2 正壓生物防護服研究現(xiàn)狀

正壓生物防護服研發(fā)難度大、檢測成本高昂，因此國際上僅有為數(shù)不多的知名公司開展相關(guān)研究并形成產(chǎn)品。目前，廣泛被用戶接納的僅有法國DELTA公司、美國ILC Dover公司和德國HoV公司的產(chǎn)品（如圖1所示）。其中法國DELTA公司的市場占有率最大，該公司正壓防護服以180°視野、適體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕柔的面料和嚴(yán)格系統(tǒng)的檢測使其具有優(yōu)良的綜合性能，已形成了包括壓縮空氣式和動力送風(fēng)式，可供實驗室和污染現(xiàn)場使用的系列產(chǎn)品。

正壓防護服材料要求防水、耐酸堿、耐腐蝕、耐磨擦、質(zhì)地柔軟、機械強度高、氣密性強及質(zhì)量輕[4]。一些單層橡膠、PVC、聚氨酯等材料被嘗試用于研制正壓生物防護服[5]，如法國DELTA公司的生物安全四級防護服就采用了PVC涂在極薄的滌綸上的材料，質(zhì)地柔軟。瑞士研制的Rolamit材料，是一種多用途的層壓膜材料，厚度僅為100 μm，質(zhì)量100～150 g/m2，具有良好的機械性能、耐磨損和耐穿刺性能[6]。

目前，國外在正壓防護服研究方面采用了大量的新技術(shù)。在正壓防護服整體設(shè)計方面，虛擬技術(shù)和計算機模擬得到應(yīng)用。Edwards采用計算流體力學(xué)進行正壓防護服內(nèi)流場和熱交換模擬優(yōu)化設(shè)計，為正壓防護服內(nèi)微環(huán)境模擬與優(yōu)化研究開辟了新的途徑[7]。在關(guān)鍵部件研究方面，柔性氣密拉鏈、防水單向排氣閥、自動閉鎖恒壓無污染切換式送氣接頭、輕型化動力送風(fēng)系統(tǒng)等均得到深入研究[8]。在測試方面，動態(tài)測試技術(shù)正被重視和深入研究[9]。正壓防護服工作狀態(tài)監(jiān)控關(guān)系到對人員的安全防護，越來越受到重視，如法國DELTA公司的正壓防護服就帶有低風(fēng)量自動報警功能。

對每類生產(chǎn)設(shè)備的可利用生產(chǎn)時間進行最優(yōu)分配，是企業(yè)生產(chǎn)管理者的一種常見生產(chǎn)安排方案之一．此時，每類設(shè)備中的每臺設(shè)備都將遵循相同的最優(yōu)分配，而不同種類設(shè)備的最優(yōu)分配方案則不一定相同．

圖1 歐美知名企業(yè)的生物安全四級實驗室正壓生物防護服

2 埃博拉疫情防控正壓生物防護服研制

2.1 正壓生物防護服面料研制

采用將聚酯型聚氨酯熱壓在機織布上的方法，制成符合GB 24539—2009[10]標(biāo)準(zhǔn)要求的復(fù)合面料。透明頭罩部分采用0.3 mm厚的聚酯型聚氨酯透明膜材料。

制備復(fù)合面料時，首先用線棒涂布器將聚氨酯母液制備成0.2 mm和0.1 mm厚度的2種膜，分別放置于熱壓機上35 MPa壓力下滾壓，使聚氨酯與春亞紡針織布牢固結(jié)合，制成聚氨酯復(fù)合面料。壓出的聚氨酯復(fù)合面料厚度為0.4 mm，質(zhì)量為180 g/m2，具有良好的高頻熱合加工性能。0.2 mm聚氨酯膜強度較高，光澤度好，可作為面料表層，0.1 mm聚氨酯膜較為柔軟，手感和體感較好，可作為面料里層。

按照GB 24539—2009標(biāo)準(zhǔn)對復(fù)合面料進行各項物理參數(shù)測試，結(jié)果表明，復(fù)合面料斷裂強力652N，撕破強力100 N，接縫斷裂強力620 N，抗穿刺強力132 N，耐磨次數(shù)＞500次，耐靜水壓＞120 kPa，達(dá)到GB 24539—2009氣密性化學(xué)防護服的分級3級要求，能夠用于正壓生物防護服的研制。

參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 16604—2004檢測復(fù)合面料的微生物阻隔性能，微生物選擇噬菌體Phi-X174、脊髓灰質(zhì)炎病毒、枯草桿菌黑色變種芽孢、白色念珠球菌和人工合成血液。檢測結(jié)果表明，在20 kPa的靜水壓下，所測微生物均未能穿透復(fù)合面料，達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的防護要求。

2.2 系列正壓生物防護服電動送風(fēng)系統(tǒng)研制

系列正壓生物防護服電動送風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計為通用型，既能用于全身式，也能用于半身式。電動送風(fēng)系統(tǒng)主要由無刷直流高速風(fēng)機、鋰電池、高效空氣過濾器、集成控制電路、外殼等部分組成。要求結(jié)構(gòu)緊湊，整體氣密、防水，采用4個標(biāo)準(zhǔn)小型超高效過濾器以增大送風(fēng)量。最終研制的電動送風(fēng)系統(tǒng)如圖2所示。

電動送風(fēng)系統(tǒng)的噪聲＜70 dB，在300 Pa送風(fēng)壓力下，送氣流量不低于390 L/min，在持續(xù)運行的6 h內(nèi)性能穩(wěn)定可靠，對0.3 μm粒徑的氣溶膠整體防護效率＞99.999%，防護因子＞360 000，可滿足全身式正壓生物防護服和半身式正壓生物防護服的使用要求。

圖2 系列正壓生物防護服用電動送風(fēng)系統(tǒng)

2.3 全身式正壓生物防護服研制

全身式正壓生物防護服為一體化結(jié)構(gòu)，頭部、軀干和四肢連接成一整體，如圖3所示。頭部采用高透明性的PU膜制成，其余采用聚氨復(fù)合面料通過高頻熱合方式加工。通過背部電動送風(fēng)系統(tǒng)將新鮮潔凈空氣送入防護服內(nèi)部，然后經(jīng)襯腔首先到達(dá)頭部，最后由安放在腿部的單向排氣閥排出。設(shè)計頭部送風(fēng)口目的是在面部形成風(fēng)幕，避免霧化現(xiàn)象發(fā)生；手套和防護靴均采用卡環(huán)設(shè)計，方便更換。采用進口柔性氣密拉鏈設(shè)計可保證穿脫方便，并可使防護服具有較好的折疊性。為防止電動送風(fēng)系統(tǒng)故障、電量過低或防護服意外破損造成的正壓差下降，設(shè)計了微壓差報警裝置，壓差低于50 Pa時自動蜂鳴報警。電池電量過低時電動送風(fēng)系統(tǒng)也將蜂鳴報警。提醒穿著人員及時從工作區(qū)撤離到安全區(qū)。

新研制的全身式正壓生物防護服如圖4所示。

圖3 全身式正壓生物防護服結(jié)構(gòu)組成

圖4 全身式正壓生物防護服

2.4 半身式正壓生物防護服研制

半身式正壓生物防護服結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，主要由透明頭罩、柔性頸部充氣密封、頸部單向進氣閥、防護披肩、送氣軟管、單向排氣閥、電動送風(fēng)系統(tǒng)和背負(fù)系統(tǒng)組成。透明頭罩采用0.3 mm厚聚氨酯膜材料，工作時內(nèi)部正壓，對穿著人員進行呼吸和頭部防護。頸部充氣密封圈采用0.03 mm厚聚氨酯膜材料制成，在兩側(cè)安裝單向排氣閥。電動送風(fēng)系統(tǒng)提供的潔凈空氣首先充滿密封圈，使密封圈緊貼穿著人員的頸部。兩側(cè)單向排氣閥將空氣沿穿著人員下頜部送入頭罩，在面部形成氣幕，防止頭罩呼吸起霧。最后空氣從位于頭罩頂部的單向排氣閥排出。電動送風(fēng)系統(tǒng)安裝在雙肩背包式背負(fù)系統(tǒng)上，通過胸帶和腰帶牢牢固定在穿著人員背部。

圖5 半身式正壓生物防護服結(jié)構(gòu)示意圖

新研制的半身式正壓生物防護服如圖6所示。

圖6 半身式正壓生物防護服

3 埃博拉疫情防控正壓生物防護服防護性能研究

3.1 系列正壓生物防護服運行性能研究

系列正壓生物防護服運行性能主要包括送風(fēng)量、正壓差、噪聲、連續(xù)工作時間、質(zhì)量等。通過檢測，系列正壓生物防護服的主要運行性能指標(biāo)見表1。

表1 系列正壓生物防護服運行性能指標(biāo)

3.2 系列正壓生物防護服氣溶膠防護性能研究

參照EN 943-1標(biāo)準(zhǔn)，采用大氣塵作為氣溶膠源，評價系列正壓生物防護服對0.3 μm粒徑氣溶膠的整體防護性能。其中，全身式正壓生物防護服檢測頭部、胸部和排氣閥3個位置，半身式則只檢測頭部位置。

首先用粒子計數(shù)器采集待測房間的大氣塵濃度，采樣流量28.3 L/min，采樣時間1 min，達(dá)到要求方可進行下一步檢測。檢測開始和結(jié)束時各記錄一次大氣塵氣溶膠濃度，作為本底濃度。將正壓生物防護服放置于環(huán)境氣溶膠濃度達(dá)到測試要求的房間內(nèi)，將粒子計數(shù)器接在防護服內(nèi)部。啟動電動送風(fēng)系統(tǒng)，待正壓防護服壓力達(dá)到穩(wěn)定后，持續(xù)檢測防護服內(nèi)0.3 μm粒徑氣溶膠個數(shù)，同時計時。測試在全身式正壓生物防護服頭部、胸部、排氣閥位置各進行1次，半身式只在頭罩中央位置檢測1次。

系列正壓生物防護服整體生物氣溶膠防護效率測試結(jié)果見表2。在測試條件下，全身式正壓生物防護服各部位和半身式正壓生物防護服頭罩內(nèi)部防護因子均在100 000以上，說明系列正壓生物防護服在各種工作狀況下均能保證其對氣溶膠的整體防護性能達(dá)到設(shè)計要求。

表2 系列正壓生物防護服整體生物氣溶膠防護效率測試結(jié)果

3.3 系列正壓生物防護服整體液體穿透性能研究

埃博拉病毒主要通過接觸傳播，因此，系列正壓生物防護服對液體滲漏的防護能力成為至關(guān)重要的指標(biāo)。本文系列正壓生物防護服整體液體穿透性能測試參照GB 24539—2009附錄B《化學(xué)防護服液體穿透性能測試方法》。整體液體穿透性能測試系統(tǒng)由5個低流量噴嘴和1個供水裝置組成，噴嘴1位于正壓生物防護服上端460 mm處，左右水平距離1 070 mm，噴嘴前端直徑9 mm，上端分布10個Φ0.8 mm的出水小孔，測試時噴嘴的流量控制在（3.0±0.2）L/min，如圖7所示。

測試前檢查防護服以確保其完全干燥，采用表面活性劑調(diào)節(jié)測試溶液表面張力為（0.032±0.002）N/m，然后開啟正壓生物防護服動力送風(fēng)系統(tǒng)，待壓力達(dá)到穩(wěn)定后開啟噴嘴閥門開始噴淋實驗。實驗共計進行60 min，每隔15 min將正壓生物防護服按相同方向旋轉(zhuǎn)45°。噴淋實驗結(jié)束后，去除正壓防護服表面殘余的液體，關(guān)閉送風(fēng)系統(tǒng)，檢查內(nèi)部濕潤情況，重點檢查接縫、接口和進排氣口等部位。

系列正壓生物防護服在經(jīng)過上述方法噴淋后未在內(nèi)部發(fā)現(xiàn)泄漏和濕潤現(xiàn)象，整體防液體滲透防護性能達(dá)到GB 24539—2009要求。

圖7 系列正壓生物防護服防液體穿透性能測試原理圖

4 結(jié)語

埃博拉等烈性傳染病防控時醫(yī)護人員個人防護至關(guān)重要，已引起了世界各國的廣泛重視。本文從埃博拉疫情防控實際需要出發(fā)，研究了正壓個人生物防護技術(shù)，開發(fā)了系列正壓生物防護服，其對氣溶膠和液體滲透的整體防護性能優(yōu)良。本文研制的系列正壓生物防護服已在埃博拉疫情防控相關(guān)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有望為埃博拉疫情防控相關(guān)人員提供高等級的個人防護。

[1]WHO updates personal protective equipment guidelines for Ebola response[EB/OL]．[2014-10-31].http：//www.who.int/mediacentre/news/ releases/2014/ebola-ppe-guidelines/en/.

[2]張云輝，王姝，陳玉琪，等.埃博拉出血熱研究現(xiàn)狀及2014年疫情進展[J].傳染病信息，2014，27（4）：3-8.

[3]吳金輝，楊荊泉，田濤.正壓生物防護服研究進展[J].中國個體防護裝備，2009（5）：14-17.

[4]吳金輝，田濤，林松.正壓防護技術(shù)在生物個體防護裝備中的研究現(xiàn)狀與趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2010，31（4）：31-33.

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[9]Steward J A，Lever M S.Evaluation of the operator protection factors offered by positive pressure air suits against airborne microbiological challenge[J].Viruses，2012（4）：1 202-1 211.

[10]GB 24539—2009 防護服裝 化學(xué)防護服通用技術(shù)要求[S].

（收稿：2014-11-20）

Research of positive-pressure bio-protective suit for Ebola disease

WU Jin-hui,HAO Li-mei,WANG Run-ze,YI Ying,QI Jian-cheng
（Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medical Sciences,Tianjin 300161,China）

To study the key techniques of positive-pressure protection and series of suits for Ebola disease.The suit had composite fabric made of double-side filmed polyurethane,an electric blower system made of high-performance blower and control system as well as an one-piece and two-piece structure.Safety evaluation of the suit was carried out according to standard related.The suite could meet the desired requirements,with the positive pressure difference more than 150 Pa,noise less than 70 dB,continuous operating time more than 4 h and general protection factor more than 100 000 against 0.3 μm aerosol particles.The anti-seepage performance against liquid accorded with GB 24539—2009.The suit can be used for the protection of medical staffs against the fulminating infectious diseases such as Ebola disease.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（12）：93-96]

Ebola virus;individual protection;positive-pressure bio-protective suit

R318；R181.9

A

1003-8868（2014）12-0093-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.12.093

國家科技重大專項（2012ZX10004801）；國家“863”計劃（2014A A021405）

吳金輝（1978—），男，副研究員，主要從事生物防護技術(shù)與裝備方面的研究工作，E-mail：wujh@npec.org.cn。

300161天津，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所（吳金輝，郝麗梅，王潤澤，衣 穎，祁建城）

祁建城，E-mail：qijch@npec.org.cn