埃博拉疫情防控正压生物防护服研究

吴金辉，郝丽梅，王润泽，衣 颖，祁建城

埃博拉疫情防控正压生物防护服研究

吴金辉，郝丽梅，王润泽，衣 颖，祁建城

目的：研究正压生物防护关键技术，研发用于埃博拉个人防护的系列正压生物防护服。方法：采用聚氨酯双面贴膜研究正压生物防护服复合面料，设计全身式和半身式正压生物防护服结构；采用高性能风机和控制系统，研究电动送风系统；参照相关标准对系列正压生物防护服进行安全性评价。结果：研制的聚氨酯复合面料复合正压生物防护服符合防护要求，研制了系列正压生物防护服，防护服正压差＞150 Pa，噪音＜70 dB，连续工作时间＞4 h，对0.3 μm粒径气溶胶整体防护因子＞100 000，整体防液体渗透性能满足标准GB 24539—2009要求。结论：研制的系列正压生物防护服可以应用于埃博拉等烈性传染病的医护人员高水平个人防护。

埃博拉病毒；个人防护；正压生物防护服

0 引言

2014年2月，西非爆发了有史以来最严重的埃博拉疫情。2014年10月30日，世界卫生组织通报，此次埃博拉疫情已导致至少5 000人死亡，以及13 000人感染；在几内亚、利比里亚和塞拉利昂这3个病毒广泛扩散和严重传播的国家，病毒传染继续呈上升趋势。在抗击埃博拉疫情的同时，医护人员本身的安全形势也日趋严峻，加强医护人员的个人防护也成了研究的重点之一。目前，在西非的埃博拉医护人员一般穿戴多层连体式生物防护服、头套、口罩、面罩、多层手套、防护靴，基本做到了全身防护。但值得注意的是，已有超过400名医护人员在西非感染埃博拉，其中233人死亡，医护人员依然是埃博拉病毒感染的高危人群。为此，世界卫生组织建议提高医护人员防护等级，以加强个人防护安全性[1]。

埃博拉病毒在生物安全分级上属于感染性最强“四级”病毒，对其研究应在生物安全四级实验室中进行，并需要操作人员穿戴正压生物防护服等个人防护装备[2]。埃博拉病毒感染者的血液、体液、呕吐物、排泄物中均含有埃博拉病毒，且主要通过接触感染。医护人员在对感染者进行医疗护理时，面对的将是一个随时爆发的“感染源”。从感染的医护人员数量分析，目前采取的个人防护措施远未能达到安全隔离的要求。

本文主要分析了国外正压生物防护服的特点和研究现状，结合我国正压生物防护服的现实需求，研究了正压防护服形成、装备结构、关键材料和安全性评价，研制了全身式正压生物防护服和半身式正压生物防护服，有望显著提高我国医护人员抗击埃博拉等烈性传染性病毒的个人防护能力。

1 正压生物防护服研究现状

1.1 正压生物防护服分类

正压生物防护服按照结构形式可以分为全身式正压生物防护服和半身式正压生物防护服。前者的头部、躯干和四肢连在一起，向穿着人员提供全身防护；后者由头罩和披肩构成，主要防护穿戴者的头部，因此须与其他类型的生物防护服配套使用。

按照供气方式，正压生物防护服可分为压缩气源式正压生物防护服和电动送风过滤式正压生物防护服[3]。压缩气源式正压生物防护服采用向防护服内接入压缩空气的供气方式。压缩气源一般为固定式生命支持系统，因此限制了穿着者活动范围，一般在实验室等固定场所使用。电动送风式正压生物防护服由于靠自身携带风机、电池及过滤单元进行防护服内送风，因此不受长管和气源的限制，穿着者活动范围也不受限制，可广泛用于医疗护理、野外采样、处置等环境。

1.2 正压生物防护服研究现状

正压生物防护服研发难度大、检测成本高昂，因此国际上仅有为数不多的知名公司开展相关研究并形成产品。目前，广泛被用户接纳的仅有法国DELTA公司、美国ILC Dover公司和德国HoV公司的产品（如图1所示）。其中法国DELTA公司的市场占有率最大，该公司正压防护服以180°视野、适体的结构设计、轻柔的面料和严格系统的检测使其具有优良的综合性能，已形成了包括压缩空气式和动力送风式，可供实验室和污染现场使用的系列产品。

正压防护服材料要求防水、耐酸碱、耐腐蚀、耐磨擦、质地柔软、机械强度高、气密性强及质量轻[4]。一些单层橡胶、PVC、聚氨酯等材料被尝试用于研制正压生物防护服[5]，如法国DELTA公司的生物安全四级防护服就采用了PVC涂在极薄的涤纶上的材料，质地柔软。瑞士研制的Rolamit材料，是一种多用途的层压膜材料，厚度仅为100 μm，质量100～150 g/m2，具有良好的机械性能、耐磨损和耐穿刺性能[6]。

目前，国外在正压防护服研究方面采用了大量的新技术。在正压防护服整体设计方面，虚拟技术和计算机模拟得到应用。Edwards采用计算流体力学进行正压防护服内流场和热交换模拟优化设计，为正压防护服内微环境模拟与优化研究开辟了新的途径[7]。在关键部件研究方面，柔性气密拉链、防水单向排气阀、自动闭锁恒压无污染切换式送气接头、轻型化动力送风系统等均得到深入研究[8]。在测试方面，动态测试技术正被重视和深入研究[9]。正压防护服工作状态监控关系到对人员的安全防护，越来越受到重视，如法国DELTA公司的正压防护服就带有低风量自动报警功能。

对每类生产设备的可利用生产时间进行最优分配，是企业生产管理者的一种常见生产安排方案之一．此时，每类设备中的每台设备都将遵循相同的最优分配，而不同种类设备的最优分配方案则不一定相同．

图1 欧美知名企业的生物安全四级实验室正压生物防护服

2 埃博拉疫情防控正压生物防护服研制

2.1 正压生物防护服面料研制

采用将聚酯型聚氨酯热压在机织布上的方法，制成符合GB 24539—2009[10]标准要求的复合面料。透明头罩部分采用0.3 mm厚的聚酯型聚氨酯透明膜材料。

制备复合面料时，首先用线棒涂布器将聚氨酯母液制备成0.2 mm和0.1 mm厚度的2种膜，分别放置于热压机上35 MPa压力下滚压，使聚氨酯与春亚纺针织布牢固结合，制成聚氨酯复合面料。压出的聚氨酯复合面料厚度为0.4 mm，质量为180 g/m2，具有良好的高频热合加工性能。0.2 mm聚氨酯膜强度较高，光泽度好，可作为面料表层，0.1 mm聚氨酯膜较为柔软，手感和体感较好，可作为面料里层。

按照GB 24539—2009标准对复合面料进行各项物理参数测试，结果表明，复合面料断裂强力652N，撕破强力100 N，接缝断裂强力620 N，抗穿刺强力132 N，耐磨次数＞500次，耐静水压＞120 kPa，达到GB 24539—2009气密性化学防护服的分级3级要求，能够用于正压生物防护服的研制。

参照标准ISO 16604—2004检测复合面料的微生物阻隔性能，微生物选择噬菌体Phi-X174、脊髓灰质炎病毒、枯草杆菌黑色变种芽孢、白色念珠球菌和人工合成血液。检测结果表明，在20 kPa的静水压下，所测微生物均未能穿透复合面料，达到相关标准的防护要求。

2.2 系列正压生物防护服电动送风系统研制

系列正压生物防护服电动送风系统设计为通用型，既能用于全身式，也能用于半身式。电动送风系统主要由无刷直流高速风机、锂电池、高效空气过滤器、集成控制电路、外壳等部分组成。要求结构紧凑，整体气密、防水，采用4个标准小型超高效过滤器以增大送风量。最终研制的电动送风系统如图2所示。

电动送风系统的噪声＜70 dB，在300 Pa送风压力下，送气流量不低于390 L/min，在持续运行的6 h内性能稳定可靠，对0.3 μm粒径的气溶胶整体防护效率＞99.999%，防护因子＞360 000，可满足全身式正压生物防护服和半身式正压生物防护服的使用要求。

图2 系列正压生物防护服用电动送风系统

2.3 全身式正压生物防护服研制

全身式正压生物防护服为一体化结构，头部、躯干和四肢连接成一整体，如图3所示。头部采用高透明性的PU膜制成，其余采用聚氨复合面料通过高频热合方式加工。通过背部电动送风系统将新鲜洁净空气送入防护服内部，然后经衬腔首先到达头部，最后由安放在腿部的单向排气阀排出。设计头部送风口目的是在面部形成风幕，避免雾化现象发生；手套和防护靴均采用卡环设计，方便更换。采用进口柔性气密拉链设计可保证穿脱方便，并可使防护服具有较好的折叠性。为防止电动送风系统故障、电量过低或防护服意外破损造成的正压差下降，设计了微压差报警装置，压差低于50 Pa时自动蜂鸣报警。电池电量过低时电动送风系统也将蜂鸣报警。提醒穿着人员及时从工作区撤离到安全区。

新研制的全身式正压生物防护服如图4所示。

图3 全身式正压生物防护服结构组成

图4 全身式正压生物防护服

2.4 半身式正压生物防护服研制

半身式正压生物防护服结构设计如图5所示，主要由透明头罩、柔性颈部充气密封、颈部单向进气阀、防护披肩、送气软管、单向排气阀、电动送风系统和背负系统组成。透明头罩采用0.3 mm厚聚氨酯膜材料，工作时内部正压，对穿着人员进行呼吸和头部防护。颈部充气密封圈采用0.03 mm厚聚氨酯膜材料制成，在两侧安装单向排气阀。电动送风系统提供的洁净空气首先充满密封圈，使密封圈紧贴穿着人员的颈部。两侧单向排气阀将空气沿穿着人员下颌部送入头罩，在面部形成气幕，防止头罩呼吸起雾。最后空气从位于头罩顶部的单向排气阀排出。电动送风系统安装在双肩背包式背负系统上，通过胸带和腰带牢牢固定在穿着人员背部。

图5 半身式正压生物防护服结构示意图

新研制的半身式正压生物防护服如图6所示。

图6 半身式正压生物防护服

3 埃博拉疫情防控正压生物防护服防护性能研究

3.1 系列正压生物防护服运行性能研究

系列正压生物防护服运行性能主要包括送风量、正压差、噪声、连续工作时间、质量等。通过检测，系列正压生物防护服的主要运行性能指标见表1。

表1 系列正压生物防护服运行性能指标

3.2 系列正压生物防护服气溶胶防护性能研究

参照EN 943-1标准，采用大气尘作为气溶胶源，评价系列正压生物防护服对0.3 μm粒径气溶胶的整体防护性能。其中，全身式正压生物防护服检测头部、胸部和排气阀3个位置，半身式则只检测头部位置。

首先用粒子计数器采集待测房间的大气尘浓度，采样流量28.3 L/min，采样时间1 min，达到要求方可进行下一步检测。检测开始和结束时各记录一次大气尘气溶胶浓度，作为本底浓度。将正压生物防护服放置于环境气溶胶浓度达到测试要求的房间内，将粒子计数器接在防护服内部。启动电动送风系统，待正压防护服压力达到稳定后，持续检测防护服内0.3 μm粒径气溶胶个数，同时计时。测试在全身式正压生物防护服头部、胸部、排气阀位置各进行1次，半身式只在头罩中央位置检测1次。

系列正压生物防护服整体生物气溶胶防护效率测试结果见表2。在测试条件下，全身式正压生物防护服各部位和半身式正压生物防护服头罩内部防护因子均在100 000以上，说明系列正压生物防护服在各种工作状况下均能保证其对气溶胶的整体防护性能达到设计要求。

表2 系列正压生物防护服整体生物气溶胶防护效率测试结果

3.3 系列正压生物防护服整体液体穿透性能研究

埃博拉病毒主要通过接触传播，因此，系列正压生物防护服对液体渗漏的防护能力成为至关重要的指标。本文系列正压生物防护服整体液体穿透性能测试参照GB 24539—2009附录B《化学防护服液体穿透性能测试方法》。整体液体穿透性能测试系统由5个低流量喷嘴和1个供水装置组成，喷嘴1位于正压生物防护服上端460 mm处，左右水平距离1 070 mm，喷嘴前端直径9 mm，上端分布10个Φ0.8 mm的出水小孔，测试时喷嘴的流量控制在（3.0±0.2）L/min，如图7所示。

测试前检查防护服以确保其完全干燥，采用表面活性剂调节测试溶液表面张力为（0.032±0.002）N/m，然后开启正压生物防护服动力送风系统，待压力达到稳定后开启喷嘴阀门开始喷淋实验。实验共计进行60 min，每隔15 min将正压生物防护服按相同方向旋转45°。喷淋实验结束后，去除正压防护服表面残余的液体，关闭送风系统，检查内部湿润情况，重点检查接缝、接口和进排气口等部位。

系列正压生物防护服在经过上述方法喷淋后未在内部发现泄漏和湿润现象，整体防液体渗透防护性能达到GB 24539—2009要求。

图7 系列正压生物防护服防液体穿透性能测试原理图

4 结语

埃博拉等烈性传染病防控时医护人员个人防护至关重要，已引起了世界各国的广泛重视。本文从埃博拉疫情防控实际需要出发，研究了正压个人生物防护技术，开发了系列正压生物防护服，其对气溶胶和液体渗透的整体防护性能优良。本文研制的系列正压生物防护服已在埃博拉疫情防控相关领域得到了应用，有望为埃博拉疫情防控相关人员提供高等级的个人防护。

[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]张云辉，王姝，陈玉琪，等.埃博拉出血热研究现状及2014年疫情进展[J].传染病信息，2014，27（4）：3-8.

[3]吴金辉，杨荆泉，田涛.正压生物防护服研究进展[J].中国个体防护装备，2009（5）：14-17.

[4]吴金辉，田涛，林松.正压防护技术在生物个体防护装备中的研究现状与趋势[J].医疗卫生装备，2010，31（4）：31-33.

[5]李和国，刘斌，李雷，等.生化防护服材料技术[J].中国个体防护装备，2006（3）：25-28.

[6]Henry N W.Four decades of protective clothing development and standardization[J].J Chem Health Safety，2007，5（3）：135-136.

[7]Tesch K，Collins M W，Karayiannis T G，et al.Heat and mass transfer in air-fed pressurized suits[J].Applied Thermal Engineering，2008，62：1-8.

[8]吴金辉，衣颖，杨荆泉，等.全身正压生物防护服防护性能研究[J].中国安全科学学报，2011，21（9）：125-130.

[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 防护服装 化学防护服通用技术要求[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

国家科技重大专项（2012ZX10004801）；国家“863”计划（2014A A021405）

吴金辉（1978—），男，副研究员，主要从事生物防护技术与装备方面的研究工作，E-mail：wujh@npec.org.cn。

300161天津，军事医学科学院卫生装备研究所（吴金辉，郝丽梅，王润泽，衣 颖，祁建城）

祁建城，E-mail：qijch@npec.org.cn