醫(yī)用一次性防護(hù)服材料輻照滅菌后效應(yīng)研究

王京君，李伯龍,2，孫其眾，張 悅，李浩鵬，李夢(mèng)媛，王連才，沈以凌，代 培

(1.輻射新材料北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市射線應(yīng)用研究中心，北京 100015；2.北京市輻射中心，北京 100875)

2020年初，新型冠狀病毒引發(fā)的肺炎疫情肆虐，抗“疫”前線的醫(yī)護(hù)人員對(duì)醫(yī)用一次性防護(hù)服等醫(yī)療物資提出了急迫需求。隨著疫情的擴(kuò)散，各地醫(yī)療物資需求激增，醫(yī)用一次性防護(hù)服緊缺。除了原材料因素外，目前醫(yī)用防護(hù)服的消毒滅菌工藝也是限制其生產(chǎn)效率的重要因素。由于國內(nèi)醫(yī)用防護(hù)服采用傳統(tǒng)環(huán)氧乙烷滅菌工藝，該工藝滅菌后，需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行7～14 d解析，以釋放出殘留的有毒環(huán)氧乙烷，這大幅增加了醫(yī)用防護(hù)服及口罩的生產(chǎn)周期，無法迅速滿足抗“疫”工作的需要。針對(duì)這種情況，我國啟動(dòng)了《醫(yī)用一次性防護(hù)服輻照滅菌應(yīng)急規(guī)范(臨時(shí))》和《醫(yī)用一次性防護(hù)服輻照滅菌參考流程》，并在全國范圍內(nèi)推廣防護(hù)服輻照滅菌工藝。使用輻照滅菌技術(shù)后，防護(hù)服的滅菌周期從14 d減少到1 d，大幅縮短了生產(chǎn)周期，緩解了防護(hù)服供需矛盾，受到行業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-2]。

輻照滅菌作為一項(xiàng)安全、綠色、高效的物理消毒方式，在歐美發(fā)達(dá)國家廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器材的滅菌中，使用普及率大于40%，中國約為10%[3]。與傳統(tǒng)環(huán)氧乙烷滅菌工藝相比，輻照消毒滅菌的主要優(yōu)勢(shì)有：1) 綠色環(huán)保，無化學(xué)氣體排放，無污染，處理對(duì)象無環(huán)氧乙烷殘留；2) 滅菌徹底，γ射線及電子束具有較強(qiáng)的穿透力，在一定劑量條件下能殺死各種微生物；3) 常溫即可進(jìn)行滅菌，是一種“冷加工”法，特別適合一些熱敏材料，如塑料制品、尼龍、化纖制品、生物制品等；4) 滅菌速度快，操作簡(jiǎn)便，相比傳統(tǒng)環(huán)氧乙烷滅菌，輻照滅菌無需解析，可不間斷的連續(xù)作業(yè)，有利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；5) 可在產(chǎn)品包裝完成后進(jìn)行消毒滅菌，避免發(fā)生二次污染[4-5]。

未來輻照滅菌工藝將逐步取代環(huán)氧乙烷滅菌工藝[6]。根據(jù)蒙特利爾公約規(guī)定，要在全球范圍內(nèi)逐步禁止使用環(huán)氧乙烷[7]。歐美國家不斷探索替代環(huán)氧乙烷的新方法，2019年美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration, FDA)還向全球公開征集替代環(huán)氧乙烷的滅菌方案[8]。目前國內(nèi)環(huán)氧乙烷滅菌仍然占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。

一次性防護(hù)服材料因其所使用的原材料不同而具有不同的性能，按原材料類型來分，主要有聚丙烯紡粘布、聚酯纖維與木漿的復(fù)合水刺布、聚丙烯紡粘-熔噴-紡粘復(fù)合非織造布，即復(fù)合無紡布(Spunbond Meltblown Spunbond Nonwovens, SMS)或復(fù)合無紡布SMS無紡布的技術(shù)延伸(Spunbond+Meltblown Meltblown Spunbond Nonwovens, SMMS)、閃蒸法一次性成型非織造布、聚乙烯透氣膜和非織造布復(fù)合布等[9]。

以上材料生產(chǎn)的醫(yī)用防護(hù)產(chǎn)品能適應(yīng)現(xiàn)有環(huán)氧乙烷滅菌工藝條件，但并不完全具備輻照滅菌的適應(yīng)性。防護(hù)服在材料選擇上和生產(chǎn)工藝上均與傳統(tǒng)的環(huán)氧乙烷滅菌工藝相匹配，經(jīng)過環(huán)氧乙烷滅菌處理后，防護(hù)服材料性能可以滿足國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求[6]。但是有關(guān)醫(yī)用防護(hù)材料的耐輻照性能的研究國內(nèi)外都鮮有報(bào)道，輻照滅菌工藝對(duì)一次性防護(hù)服使用的非織造纖維材料力學(xué)性能、抗液體滲透性能和過濾效率等關(guān)鍵性能的影響未進(jìn)行深入研究。為了充分發(fā)揮輻照技術(shù)在防護(hù)服滅菌工藝的先進(jìn)性，亟需對(duì)防護(hù)服材料的輻射效應(yīng)開展研究。

防護(hù)服所用材料不同，性能存在較大差異，輻照工藝的選擇對(duì)其滅菌能力、機(jī)械性能及防護(hù)性能也存在影響，本文選取國內(nèi)防護(hù)服生產(chǎn)廠家廣泛使用的SMS材料和SMMS材料，研究滅菌劑量輻照后材料的耐輻照性，綜合性評(píng)價(jià)放置不同時(shí)間下，受輻照影響較為顯著的指標(biāo)(表觀形貌和力學(xué)性能)和與防護(hù)密切相關(guān)的性能(液體阻隔性能和過濾效率)的衰減變化情況，以期對(duì)輻照加工服務(wù)企業(yè)和防護(hù)服生產(chǎn)企業(yè)為社會(huì)提供高質(zhì)量的醫(yī)療防護(hù)材料提供參考。

1 主要材料與儀器

1.1 主要材料

市售醫(yī)用一次性防護(hù)服主要以聚丙烯為主體材料，本文主要選取材料：國內(nèi)廠家A生產(chǎn)的由聚丙烯、紡粘無紡布和聚乙烯透氣膜組成的醫(yī)用一次性防護(hù)服。

1.2 主要儀器

電子掃描顯微鏡：日本JEOL JCM-500；萬能試驗(yàn)機(jī)：美斯特 SANS；血液穿透性能測(cè)試儀：上海程斯 CSI-286A；抗水滲透-靜水壓測(cè)試儀：東莞思泰AATCC127-2003；自動(dòng)濾料檢測(cè)儀：美國TSI-8130。

1.3 輻照裝置

采用設(shè)計(jì)裝運(yùn)量1.85×1017Bq，拖軌式γ射線輻照裝置。

2 實(shí)驗(yàn)方法

選取國內(nèi)廠家A生產(chǎn)的醫(yī)用一次性防護(hù)服材料，用1.85×1017Bq60Co輻照裝置產(chǎn)生的γ射線源進(jìn)行輻照滅菌處理，結(jié)合廠家防護(hù)服初始菌含量和無菌保證水平的要求，本實(shí)驗(yàn)建立的滅菌劑量為25 kGy，輻照時(shí)間為5 h。

2.1 外觀形貌表征

通過電子掃描顯微鏡對(duì)防護(hù)服的形貌進(jìn)行測(cè)試。將防護(hù)服關(guān)鍵部位裁剪為5 mm×5 mm的樣品，粘在樣品臺(tái)的導(dǎo)電膠上，進(jìn)行1 min的噴金處理，在電壓10 kV、放大倍數(shù)為100倍條件下進(jìn)行觀察。

2.2 力學(xué)性能

采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)防護(hù)服的斷裂強(qiáng)力和斷裂伸長率進(jìn)行測(cè)試。從每一件防護(hù)服樣品剪取兩組試樣，一組為縱向試樣，另一組為橫向試樣。取樣時(shí)盡量避開折痕較多的部位，裁剪尺寸為300 mm×50 mm，拉伸速率為100 mm/min。

2.3 抗合成血液滲透性能

采用血液穿透性能測(cè)試儀對(duì)防護(hù)服材料進(jìn)行抗合成血液滲透性能測(cè)試。在每一件防護(hù)服樣品上隨機(jī)采取3片75 mm×75 mm的實(shí)驗(yàn)樣品。將樣品正常外表面面向?qū)嶒?yàn)槽放入槽內(nèi)，組裝并擰緊穿透實(shí)驗(yàn)槽。將50 mL的合成血液注入實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)，將一定壓力的空氣從上部入口輸入到穿透實(shí)驗(yàn)槽內(nèi)，保持5 min，觀察是否有合成血液滲出。

2.4 抗水滲透性能

采用抗水滲透-靜水壓測(cè)試儀對(duì)防護(hù)服材料的抗水滲透性能進(jìn)行測(cè)試。將試樣水平放置，且不鼓起，把試樣夾緊在實(shí)驗(yàn)壓頭中，使織物實(shí)驗(yàn)面與水接觸。然后對(duì)試樣增加水壓，織物表面承受水壓的面積為100 cm2，水壓上升速率為(60±3) kPa/min，觀察是否出現(xiàn)滲水跡象。

2.5 顆粒物過濾效率

采用自動(dòng)濾料檢測(cè)儀對(duì)防護(hù)服的過濾效率進(jìn)行測(cè)試。用夾具將防護(hù)服材料氣密鏈接在檢測(cè)裝置上，檢測(cè)開始后，記錄初始的過濾效率。檢測(cè)應(yīng)一直持續(xù)到過濾效率達(dá)到最低點(diǎn)或者濾料上累積(200±5) mg顆粒物為止，連續(xù)記錄過濾效率結(jié)果。

對(duì)未輻照和輻照滅菌處理之后的防護(hù)服材料進(jìn)行以上表征測(cè)試。命名“輻照-×× d”代表輻照滅菌處理后放置“××”天后的防護(hù)服樣品。

3 結(jié)果與討論

3.1 外觀形貌表征

醫(yī)用一次性防護(hù)服材料內(nèi)層為熔噴聚丙烯材料，通過掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)照片(圖1)可以看出，未輻照的防護(hù)服熔噴纖維粗細(xì)均勻，與熱熔壓紋之間連接緊密，沒有缺陷。輻照滅菌處理后，熔噴纖維并未出現(xiàn)降解斷裂情況，與壓紋之間連接也未出現(xiàn)斷裂。放置60 d后，同樣未出現(xiàn)脫絲或者斷裂的情況。說明輻照滅菌過程并未對(duì)防護(hù)服材料的形貌包括熔噴纖維和熱熔壓紋造成破壞。

圖1 輻照前后防護(hù)服纖維與壓紋形貌SEM照片F(xiàn)ig.1 The SEM images of fiber and embossing of protective clothing before and after irradiation

3.2 力學(xué)性能測(cè)試

雖然輻照滅菌過程對(duì)材料的形貌和阻隔性能影響不大，但是輻照對(duì)SMS或SMMS中的聚丙烯熔噴纖維的降解作用，在力學(xué)拉伸過程中就會(huì)突顯出來。由于防護(hù)服材料的力學(xué)性能直接決定防護(hù)服能否正常使用，因此本文對(duì)輻照滅菌處理后防護(hù)服橫向和縱向力學(xué)性能進(jìn)行重點(diǎn)考察，防護(hù)服材料輻照前后斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率分別示于圖2、圖3。由圖2、圖3可知，未輻照的防護(hù)服材料其斷裂強(qiáng)力為70 N(橫向)和131 N(縱向)，斷裂伸長率為70.5%(橫向)和87%(縱向)，由此可見防護(hù)服材料的縱向力學(xué)性能優(yōu)于橫向力學(xué)性能。輻照處理后，無論橫向還是縱向的力學(xué)性能均有所下降，因?yàn)榫郾儆谳椪战到庑途酆衔?，伽馬射線的輻照會(huì)造成聚丙烯分子鏈的斷裂，會(huì)降低力學(xué)性能。輻照處理后的斷裂強(qiáng)力最多下降24.3%(橫向)和21.4%(縱向)，斷裂伸長率最多下降35.5%(橫向)和46%(縱向)。雖然下降的較多，但是國標(biāo)GB/T 19082-2009要求防護(hù)服關(guān)鍵部位材料的斷裂強(qiáng)力≥45 N，斷裂伸長率≥15%，本文中經(jīng)過輻照滅菌處理的防護(hù)服材料滿足要求。

圖2 輻照前后防護(hù)服材料橫向和縱向斷裂強(qiáng)力Fig.2 The horizontal and vertical breaking force of protective clothing materials

圖3 輻照前、后防護(hù)服材料橫向和縱向斷裂伸長率Fig.3 The horizontal and vertical elongation at break of protective clothing materials

3.3 抗合成血液穿透性能測(cè)試

患有傳染病的患者其血液中可能帶有傳染性極強(qiáng)的病毒，因此醫(yī)用一次性防護(hù)服阻隔血液滲透的性能十分重要，本文對(duì)抗合成血液滲透性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列于表1。未輻照和輻照-0 d的防護(hù)服材料的抗合成血液滲透等級(jí)均為6級(jí)，放置30 d后，材料阻隔血液滲透的能力略有下降，等級(jí)下降至5級(jí)。當(dāng)輻照滅菌放置60 d后，抗合成血液滲透等級(jí)為4級(jí)，根據(jù)國標(biāo)GB/T 19082-2009規(guī)定達(dá)到3級(jí)即為合格，因此滿足防護(hù)服合格產(chǎn)品要求。

3.4 抗水滲透性能測(cè)試

除了血液之外，其他一些醫(yī)療過程中產(chǎn)生的污水同樣也有可能攜帶傳染性病菌，因此本文對(duì)抗水滲透性能進(jìn)行測(cè)試分析，防護(hù)服材料輻照前、后液體阻隔性能列于表1。由表1可知，未輻照的防護(hù)服其阻隔水分的能力很強(qiáng)，高達(dá)27 kPa，但經(jīng)過25 kGy的輻照滅菌處理后，其抗水滲透性能降低至15 kPa，放置60 d后，為13 kPa，根據(jù)國標(biāo)GB/T 19082-2009要求，防護(hù)服的抗水滲透性能要高于1.67 kPa，輻照后的防護(hù)服是合格產(chǎn)品。因此可以初步判斷，輻照對(duì)材料的抗水滲透性能有所影響，但是輻照后放置不同時(shí)間的防護(hù)服性能變化甚微，說明后效應(yīng)的影響很小，且抗水滲透性能遠(yuǎn)高于國標(biāo)要求。

表1 防護(hù)服材料輻照前、后液體阻隔性能Table 1 Barrier properties of protective clothing materials liquid before and after irradiation

3.5 顆粒物過濾效率測(cè)試

醫(yī)務(wù)人員在工作時(shí)接觸具有潛在感染性的空氣中的顆粒物同樣也會(huì)有被傳染的風(fēng)險(xiǎn)。因此，醫(yī)用一次性防護(hù)服材料應(yīng)具有隔離有害超細(xì)粉塵的作用，進(jìn)而保證醫(yī)護(hù)人員的安全和保持環(huán)境清潔。輻照滅菌前、后防護(hù)服的過濾效率測(cè)試結(jié)果列于表2。從表2中可以看出，無論是未輻照還是輻照處理過的防護(hù)服其過濾效率均≥99.8%，說明輻照滅菌對(duì)醫(yī)用一次性防護(hù)服材料的過濾效率幾乎沒有影響。

表2 防護(hù)服材料輻照前、后過濾效率Table 2 Filtration efficiency of protective clothing materials liquid before and after irradiation

4 結(jié)論

本文分別對(duì)比了輻照前、輻照后放置0、14、30、60 d后的防護(hù)服材料樣品的形貌和性能。結(jié)果表明，輻照效應(yīng)對(duì)材料的抗合成血液滲透、抗水滲透和過濾效率并未造成明顯影響。所考察的性能指標(biāo)尤其是力學(xué)性能在輻照滅菌處理后雖有下降，但完全滿足國標(biāo)GB/T 19082-2009要求，進(jìn)而明確A廠家防護(hù)服本體材料經(jīng)過輻照滅菌處理后產(chǎn)品質(zhì)量合格。從疫情爆發(fā)至今，已有上千萬件醫(yī)用防護(hù)服經(jīng)過輻照滅菌處理并使用，未接到防護(hù)服生產(chǎn)廠家或醫(yī)療機(jī)構(gòu)關(guān)于輻照滅菌處理的防護(hù)服質(zhì)量不合格的反饋。因此結(jié)合實(shí)際使用情況和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輻照滅菌工藝能夠滿足防護(hù)服關(guān)鍵性能的基本要求。