載人航天器內菌斑清除裝置設計及初步應用驗證

楊建樓，孫儒馨，張?zhí)m濤，趙繼丁，付玉明,2*，劉 紅,2,3

（1. 北京航空航天大學 生物與醫(yī)學工程學院； 2. 北京航空航天大學 生物醫(yī)學工程高精尖創(chuàng)新中心；3. 北京航空航天大學 國際航空生物技術與醫(yī)學工程聯合研究中心：北京 100191；4. 北京空間飛行器總體設計部； 5. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所：北京 100094）

0 引言

在空間站內等載人航天器艙內環(huán)境條件下的微生物受微重力、空間輻射等因素的影響，其生態(tài)系統(tǒng)的種群結構、生理生化性狀等會發(fā)生明顯變化，原本對人體和環(huán)境無害的微生物種群會在生長繁殖、毒力、致病性、抗生素敏感性、突變率等方面產生變異[1]。如不加以控制，這些微生物不僅將加劇對材料的腐蝕，損害電子元器件及結構件，影響航天精密儀器的正常使用，還會擴散到艙室內的空氣和水中，嚴重危害航天員健康。因此，需要對載人航天器艙內微生物進行嚴格防控。

目前，載人航天器艙內微生物控制措施主要分為兩大類。一是主動控制[2]，主要包括使用空氣過濾裝置去除空氣浮游微生物，使用吸塵器和浸有去污劑或消毒液的擦布清潔艙內表面等[3]?！昂推教枴笨臻g站[4]在軌運行期間，每周會安排一天（通常為周日）全員參與的大掃除；在國際空間站（ISS）美國艙段，每周會安排4 h 的清潔，使用一種便攜式吸塵器、6 種消毒濕巾（消耗型，每次任務補充），以及去污劑和擦布等，對艙內環(huán)境進行清潔消毒[5-6]。但是采用真空吸塵器、擦布、濕巾或者棉簽擦拭方法很難觸及設備背板、一些死角和縫隙中的菌蝕斑，因此這些部位必須在設計建造時采取一些防護措施[7]。另外，這些方法消耗性材料使用較多，且工作量大，也無法快速有效地殺滅菌蝕斑。二是被動控制，主要通過優(yōu)化艙內環(huán)境設計、選擇抗菌防霉材料[8]、對艙內材料表面進行處理[9]等措施來抑制微生物生長，防范微生物可能導致的風險[10-11]。被動控制一般是載人航天器飛行前在地面進行處理；而主動控制通常是要求航天員在軌進行操作，相對被動控制而言，其操作空間和清潔手段等有一定局限性[12-13]，且直接關系到載人航天器的使用狀況，因此主動控制還需要不斷優(yōu)化。

載人航天器艙內面板背側（簡稱背板）和壁板上均密布各種線纜及接線端子，背板和壁板之間的距離較小[14-15]，在使用專門裝置進行菌蝕斑清除時，要求既能繞過線纜及接線端子進行大范圍有效清除與收集腐蝕部位的菌蝕斑，還適合在微重力條件下施用。

2001 年，俄羅斯開始在“和平號”空間站和國際空間站采用一種叫做POTOK 150MK 的空氣微生物控制設備，其原理是利用脈沖電產生等離子體殺菌結合過濾網過濾[16]。目前在國際空間站上使用一款干濕兩用的吸塵器[17]，該吸塵器由直流電機驅動[18]，采用兩級過濾裝置：一級過濾使用一次性袋子來收集潮濕或者干燥的、直徑＞6 μm 的顆粒物；二級過濾是一種高效空氣過濾器（high efficiency particulate air filter, HEPA），可以過濾直徑＞3 μm的顆粒。另外，該吸塵器還包括針對縫隙的清潔工具、刷子工具、靈活的模塊化工具和表面工具。但是這些吸附過濾方法不能殺死微生物，而是將微生物留在濾材中，需要定期更換濾材，由此增加了航天員工作量，且產生大量耗材垃圾，提高了成本。

我國載人航天事業(yè)開展較晚，在“神舟”系列飛船任務中，由于飛行時間短，微生物控制的重要性未得到體現，導致我國空間微生物控制技術研究相對薄弱，技術積累不足，且未開展適用于微重力條件的材料表面菌蝕斑清除等研究工作。而隨著中國空間站建設的不斷推進，我國對航天器微生物控制研究日益重視。本文針對如空間站等載人航天器艙內菌斑清除任務需求，以及航天員在軌對清除裝置簡單易行、清除率較高從而可提高任務效能的需求，提出一種在軌菌斑清除裝置工藝方案，并構建出原型系統(tǒng)進行初步驗證。

1 菌斑清除裝置

1.1 工藝原理與基本組成

針對微重力條件下背板、狹縫等位置高黏度菌蝕斑腐蝕的有效清除，以及在清除過程中避免微粒擴散到空氣中漂浮、存活的需求，本文提出的工藝原理是：利用“機械摩擦+負壓抽吸+有效殺滅”的方式完成材料與設備表面菌斑清除、收集與殺滅，即：采用毛刷高頻振動清除菌蝕斑，清除下來的菌斑微粒被負壓抽吸氣流吸入帶有250～280 nm AlGaN紫外LED 燈珠的管道內部，最后由濾網對菌斑進行攔截收集，濾網附近的紫外LED（或者管道的等離子體發(fā)生器）對被攔截收集的微生物進行消殺。在太空在軌條件下，根據航天任務，用探測裝置或者肉眼識別易滋生菌斑的位置后利用該裝置進行菌斑清除。該裝置不用時可置于鋁合金外包盒內，外包盒可通電從而可對裝置進行紫外消殺；其供電方式采用有線航空插頭，直流24 V。

本文提出的未來可用于空間站的菌斑清除裝置結構主要由振動清除系統(tǒng)、負壓收集系統(tǒng)、紫外（或等離子體）殺菌系統(tǒng)和電路控制系統(tǒng)組成，采用分體式結構思想，由刷頭殺菌蓋、清洗頭、快拆收集箱、座體組成（見圖1(a)）。刷頭殺菌蓋（見圖1(b)）內安裝有紫外線燈，可通過MicroUSB 為紫外線燈供電，對非工作狀態(tài)下的刷頭進行殺菌處理。清洗頭（見圖1(c)）由快拆刷頭、刷頭電機、同步帶輪機構和旋轉調節(jié)頭組成，其中：快拆刷頭可根據任務需求快速拆裝；刷頭電機利用同步帶輪帶動刷頭旋轉，具有過載保護功能；旋轉調節(jié)頭提供0°、45°和90°三個可調角度，便于深入拐角處進行清潔?？觳鹗占洌ㄒ妶D1(d)）可以對收集到的菌斑進行殺菌和儲藏，包括快拆外殼、紫外線燈環(huán)、過濾網（材料為HEPA 濾網）和4 個電氣觸點，其中：5 個1 W 的并聯紫外線燈珠均勻布置在燈環(huán)上，并通過2 個電氣觸點供電；另外2 個電氣觸點則分別為清洗頭電機和紫外線燈珠供電；過濾網為可拆卸式，需要更換時倒置快拆收集箱即可取出。

圖1 菌斑清除裝置結構Fig. 1 Structure of plaque removal device

1.2 原理樣機載荷強度仿真

由于使用過程中，清洗頭直接與艙內材料和設施表面的菌斑剛性接觸，所以有必要對裝置結構進行強度校核分析，以驗證該裝置在特定工況下是否可以安全、穩(wěn)定地完成指定任務。此外，在滿足功能要求的基礎上，還需盡量減輕機體重量，優(yōu)化外觀，以進一步滿足操作人員舒適便捷的使用需求。

利用ANSYS Workbench 有限元分析[19]軟件中的靜力學分析模塊模擬了菌斑清除樣機在實際使用過程中的受力情況，材料設置為樹脂。

首先對菌斑清除裝置的樣機在握持時的結構受力狀態(tài)進行強度校核。仿真時，固定菌斑清除樣機尾部，并在清洗頭處施加30 N 垂直向下的力，仿真結果如圖2 所示。可以看出，清洗頭處最大位移為0.9 mm，最大應力為3.8 MPa，遠遠小于樹脂材料的屈服強度（271 MPa），滿足使用要求。

圖2 握持時菌斑清除樣機力學分析Fig. 2 Mechanical analysis of the plaque removal prototype during gripping

然后對菌斑清除樣機的3 種使用狀態(tài)（旋轉調節(jié)頭夾角分別為0°、45°和90°）進行強度校核。仿真時，固定菌斑清除樣機尾部，并在清洗頭處垂直于清洗頭施加0.7 MPa 的壓力，結果如圖3 所示。

圖3 菌斑清除樣機應力和變形分析（旋轉調節(jié)頭夾角分別為0°、45°和90°）Fig. 3 Stress and deformation analysis of the plaque removal prototype when used at angles of 0°, 45° and 90°

由圖3 可以看出，菌斑清除樣機在3 種使用狀態(tài)下的應力均遠小于材料的屈服強度，裝置總體變形在允許范圍（10～15 mm）之內，工藝滿足使用要求。

2 原理樣機參數優(yōu)化

2.1 負壓抽吸風速參數優(yōu)化

選取空間站常見的具有腐蝕性的微生物菌種黑曲霉（aspergillus niger）、芽枝狀枝孢霉（botrytis cinerea）和金灰青霉（penicillium aureus）[20-22]，以及常用于空間站的有機材料（橡膠與聚氨酯），在模擬空間輻射艙室環(huán)境的培養(yǎng)箱中[23]進行材料表面染菌實驗。首先模擬微生物腐蝕過程，制備實驗所需的微生物腐蝕材料；然后設置不同的風速對材料表面的菌蝕斑進行清除收集，以優(yōu)化風速。

制作的被真菌腐蝕的材料如圖4 所示，真菌在其表面大量繁殖，產生大量的真菌孢子。微生物數量計算方法是：采用馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養(yǎng)基（potato dextrose agar; PDA）涂布，28 ℃培養(yǎng)3～5 天后計數。

圖4 人為制備的橡膠材料表面菌斑（金灰青霉）Fig. 4 Artificially prepared plaque on the surface of rubber material (penicillium aureus)

在實驗中，針對4 種不同風速進行分析，收集與清除效率A=(1-n/N)×100%，其中n和N分別為清除后和清除前的材料表面微生物量，CFU/mL。結果如圖5 所示：隨著風速的增加，菌斑的收集與清除效率越高，但是在較高風速（20 m/s 和25 m/s）的情況下，通過t 檢驗p值大于0.05，表明收集率無顯著差異（p=0.4724），二者收集率均值分別在91%和92%?？紤]到風速越高，裝置能耗越大，因此認為20 m/s 已經滿足設備的風速需求。

圖5 風速對收集效率的影響Fig. 5 Effect of wind speed on filtration efficiency

2.2 紫外LED 燈功率和光照時間優(yōu)化

以不同的紫外燈功率（3 W、4 W、5 W）和光照時間（1 min、3 min、10 min）對濾菌后的濾膜進行處理。采用培養(yǎng)計數方法對殺菌前、后濾膜上微生物進行計數。殺菌效率B=(1?n/N)×100%，其中：n和N分別為殺菌后和殺菌前的材料表面微生物量，CFU/mL。

實驗得到不同紫外燈功率和光照時間下樣機殺菌模塊的滅菌效率，整合數據繪圖各組殺菌效率如圖6 所示。可以看出，紫外燈功率的升高和光照時間的延長都可以提高微生物的殺滅效率，利用5 W紫外燈照射10 min 后的殺菌率可以達到99.5%，在本組實驗中效果最佳。

圖6 紫外燈功率及光照時間對滅菌率的影響Fig. 6 Effect of UV lamp power and lighting time on sterilization rate

3 樣機清除效果驗證實驗

3.1 快速染菌菌斑的清除效果

在上述參數確定的條件下，使用樣機進行菌斑清除，清除前后分別用棉簽對表面微生物進行取樣，梯度稀釋后涂平板計數，以檢驗清除效果。清除前，使用橡膠與聚氨酯材料在超凈臺中進行快速染菌腐蝕實驗，4 周后從培養(yǎng)箱的自封袋中將帶著菌斑的材料取出；然后采用標準涂抹法，用棉簽蘸取少許無菌生理鹽水涂抹材料平滑表面（按照一定面積），反復涂抹兩次，在涂抹時要轉動棉簽使各部位能均勻沾取微生物；完成后用不銹鋼剪去取樣人員手持部段，再將棉簽投入10 mL 生理鹽水中，蓋上試管蓋，梯度稀釋后涂平板計數。菌斑清除后，采用同樣方法取樣，然后計數。

對清除前后的表面微生物使用平板菌落計數法測量其微生物數量，然后計算清除率，結果如圖7 所示。可以看出，樣機對橡膠與聚氨酯上的單一芽枝狀枝孢霉、黑曲霉、金灰青霉的菌斑清除率和殺菌率均在90%以上。實驗證明樣機具有良好的菌斑清除、消殺效果。

圖7 不同材料上菌斑的清除效率Fig. 7 Efficiency of plaque removal on different materials

3.2 實際密閉隔離艙室的菌斑清除效果

利用樣機對密閉艙室內燈板上形成的菌斑進行清除。采用標準涂抹法，用棉簽蘸取少許無菌生理鹽水涂抹清除前后的位置，在涂抹時要轉動棉簽，使各部位能均勻沾取微生物，梯度稀釋后涂平板計數。菌斑清除結果如圖8 所示?？梢姡簶訖C能夠有效清除實際形成的菌斑，菌斑清除率為99%，并且物理清除方式不會產生抗逆性。而化學清除方式[24]則不同：盡管消毒后污染水平下降，但某些位置的污染恢復能力可能表明細菌對所用消毒劑具有抵抗力或存在有利于細菌的生長條件（例如濕度）或兩者兼而有之。

圖8 樣機清除菌斑前后對比及結果統(tǒng)計Fig. 8 Comparison and statistics of results before and after plaque removal from samples

3.3 材料表面清除前后活死菌染色

自1961 年尤里·加加林的第一次太空飛行以來，在美國和蘇聯（俄羅斯）航天器內的微生物一直用基于傳統(tǒng)上培養(yǎng)的技術進行分析[25]，而超過95%的微生物物種不能在常規(guī)生長培養(yǎng)基中培養(yǎng)，并且基于培養(yǎng)的技術涉及潛在有害微生物的生長，必須安全處置，因此采用活死菌染色的方法可以直觀觀察所有活菌和死菌的情況并通過分析軟件進行量化。

用組合染料染色（LIVE / DEAD Baclight 細菌生存力試劑盒，分子探針，L13152）研究了吸附在鋁合金、橡膠、硅膠、聚氨酯材料表面細菌的分布和生存力。在27 ℃下108cell/mL 細菌懸液中浸泡1 d后，材料用無菌去離子水沖洗，用50 μL 的組合染料染色，然后用奧林巴斯FluoView FV500 共聚焦激光掃描顯微鏡觀測（如圖9 所示），使用ImageJ軟件對熒光面積進行統(tǒng)計分析。結果表明：鋁合金和聚氨酯上菌斑的清除率都為100%，無活菌存在；橡膠和硅膠上菌斑的清除率分別為97.2%和98.0%。

圖9 樣機清除菌斑前后活/死菌染色激光共聚焦掃描顯微鏡圖及清除前后統(tǒng)計分析Fig. 9 Confocal laser scanning microscopy of live/dead bacteria staining before and after plaque removal

3.4 材料清除前后表面形貌觀測

為了觀察菌斑清除前后是否對材料表面造成損傷，對非金屬材料采用噴金處理，然后使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）進行觀察，結果如圖10 所示。由圖可見，清除前后材料表面并沒有出現損傷。

圖10 樣機清除菌斑前后材料表面掃描電子顯微鏡圖Fig. 10 Scanning electron micrograph of the surface of the material before and after the plaque removal

4 結束語

本文從菌斑清除的潛在應用以及便于航天員操作的角度出發(fā)，研制了用于空間站等載人航天器艙內的菌斑清除裝置，提出了裝置工藝總體方案，對其樣機的載荷強度進行了仿真分析，以及風速、紫外LED 燈功率和光照時間參數的優(yōu)化，并開展了艙內菌斑清除效果實驗驗證。結果表明：本裝置在最優(yōu)參數條件下對菌斑的清除率和殺滅率高，易操作且對材料表面無損傷，可以較好地解決空間環(huán)境中背板和縫隙中的菌蝕斑很難觸及的問題，同時能避免使用較多消耗性材料，減輕航天員工作量，可提升我國載人航天器在軌防控微生物污染與腐蝕的能力，間接提升空間站任務效能。