一次性医用防护服研究进展

徐瑞东，田明伟,b*

(青岛大学a.纺织服装学院; b.省部共建生物多糖纤维成形及生态纺织国家重点实验室，山东 青岛 266071)

近些年，全球各地不时爆发烈性传染病,如埃博拉病毒、SARS等，造成了大量人员伤亡,而其中医护人员伤亡数目更加触目惊心。2003年我国爆发SARS疫情，根据中国卫生与健康委员会统计,截至2003年4月24日全国感染人数2422例，其中医护人员541例[1]。2019年底我国爆发新型冠状病毒肺炎疫情，根据中国卫生与健康委员会统计，截至2020年2月24日全国感染人数为77 658例，其中医护人员3000多例[2]。通过对病毒传染途径的深入研究，发现大多数传染病性疾病都可以通过患者体液(汗液、血液、分泌物、排泄物)进行传播[3]。因此，医用防护服对保证医护人员的生命安全有着重要意义。

我国自SARS疫情后逐步加大了医用防护服的生产和研发力度，“十一五”期间生物医药卫生纺织品(以下简称为医卫纺织品)行业就被列入发展名单，“十二五”期间医卫纺织品被列为全国重点发展的产业项目并给予政策支持。2003年到2010年，我国医卫纺织品每年的生产总量增幅超过20%，出口增速超过29%[4]。2010年医卫纺织品的产量达到70万吨,2014年达到118.8万吨，年均增长约14%。“十三五”以来依旧保持着13.6%的增速，尤其在“一带一路”背景下会继续保持高速增长[5]。与医卫纺织品高速发展一致，我国非织造布的产量也逐年提升。

医用防护服是指医护人员在特定区域、从事特定工作时所穿着的防护设备，其作用是隔离病毒、有害颗粒以及酸碱溶液等，从而有效保证医护人员的生命安全。通过研究发现非织造布生产的一次性防护服的舒适性与传统棉质防护服基本一致，但在隔离病菌、阻挡血液、抗酒精、抗油等性能上具有显著优势。并且一次性医用防护服生产工艺相对简单、性能保持性好，无需洗涤、消毒、储存工序,极大减少了诊治过程中的交叉、重复感染，也避免了因洗涤而造成防护性能下降[6]。因此，目前世界上使用的基本都是一次性非织造医用防护服。

我国医用防护服虽然起步较晚，却呈现出快速发展趋势。高校和企业同步进行产品研发，防护性能从单一到复合方向发展。如东华大学的周翔等[7]发明了一种新型医用防护面料，不仅可以拒水还能有效隔离血液、体液等液体，利用该面料制成的防护服能有效隔离SARS病毒，从而保证医护人员的健康。合肥普尔德医疗用品有限公司开发出一种多层复合非织造材料，解决了现有单层无纺布制成的产品隔离病毒、有害物质效果差的问题[8]。与此同时，我国医用纺织品的行业标准也在不断细化，目前医用防护服的相关标准共21项,其中国家标准13项、医卫行业标准8项，包含测试方法标准8项，选用标准3项。

本文综述了近几年我国医用防护服的发展现状，对医用防护服的阻隔性、抗菌性、抗静电性、标准参数等进行了重点阐述，并结合近年来智能可穿戴技术的发展对我国医用防护服的未来发展方向进行了展望。

1 一次性医用防护服的性能要求

医用防护服需要具备多种性能：其一必须具备优异的阻隔性和抗菌性；其二要具备一定的抗静电性，避免因静电引燃易燃液体如酒精而造成安全隐患；其三要具备一定的力学性能如断裂强度和穿刺强度等，保证防护服能正常发挥防护作用。目前广泛使用的医用防护服材料为聚丙烯纺粘-熔喷-纺粘(SMS)非织造布。纺粘非织造布是将熔融高聚物形成的长丝，铺设成网后经过粘合而制成，因此其强力高、各向差异性小。熔喷非织造布是由熔喷形成超细纤维从而制成的非织造布，因此其纤维间隙小，具有良好的液体以及颗粒物阻隔性，并且还可通过静电驻极工艺，进一步加强其颗粒物阻隔性。

普通的SMS非织造布虽然具备良好的力学性能和阻隔性，但不能完全阻隔酒精、血液且不具备抗静电性和抗菌性，因此需要进一步处理后才能使其达到医用防护服的性能要求，目前主要采用的是后整理工艺，其分类如下：

(1)利用各类整理剂对非织造布表面进行处理，如利用含氟基团的拒液整理剂整理基布提升其液体阻隔性，处理后接触角可达130°左右[9]；选用烷基磺酸盐等阴离子型抗静电剂和季铵化合物等阳离子型抗静电剂整理基布，提升其抗静电性，经过整理后能明显降低基布的带电量；选用有机、无机以及复合型抗菌剂整理基布，提升其抗菌性，经过处理后其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制率均在90%以上。

(2)对非织造布进行改性处理，如化学接枝工艺，将带有特殊性能如疏水、抗静电的基团接枝在高聚物上，以此来实现对非织造布的功能化整理。将疏水性的基团如酯基接枝在聚丙烯大分子上，以此制备拒液聚丙烯非织造布；将氧化石墨烯接枝在高聚物上，能减少织物的带电量，显著提升织物的抗静电性。

(3)对非织造布进行金属化整理，即通过化学涂层、电镀、真空镀、化学镀等技术将金属材料以粉末状或原子、分子、粒子状态集聚于基材表面，使基材在保持原有风格和特性的基础上赋予抗菌等功能[10]。如将银离子涂覆在中空纤维内表面，在液体环境下可实现银离子的缓释作用，达到抗菌的目的。

使用接枝或金属化处理后能够获得永久性抗菌等性能，而目前医用防护服大多为一次性使用，若采用上述方法生产防护服，会造成材料浪费以及面临制备成本过高的问题，因此目前医用防护服材料大多用整理剂来进行处理。与此同时，由于膜材料的发展，还可以采用镀膜工艺来处理非织造布，如采用防水透湿膜层压在非织造布上，能显著地提升液体阻隔性。研究显示采用SMS非织造布，发生血液渗透感染率约为5%，而薄膜层叠制成的非织造布仅为2%，且舒适性更好[11]。但目前我国制备的一些膜材料存在着制备过程繁琐、透气性和阻隔性难以平衡以及成本过高等问题，因此目前还不适合大面积投向市场[12]。

1.1 阻隔性

阻隔性是医用防护服最为重要的性能要求，主要包含液体阻隔、微生物阻隔和颗粒物阻隔。

1.1.1 液体阻隔性

在诊治过程中，医护人员不可避免地会接触到含有病原体的血液、体液以及分泌物，若防护服阻隔性不强，就存在暴露风险。针对这一问题，主要从以下两个方面入手：

1.1.1.1 利用后整理工艺提升基布的拒液性能

当液体和固体接触时，会在固液界面形成接触角θ(见图1)，这是衡量液体对固体表面润湿程度的重要参数。若θ<90°，液体容易浸润固体；若θ>90°，则液体不易浸润固体，且θ值越大，固体拒液效果越好[13]。

图1 液体与固体接触形成的接触角Fig.1 The contact angle between liquid and solid

根据浸润原理，可以采用两种处理方式：

(1)通过对织物进行改性如化学接枝等手段，将具有疏水性的基团接枝到高聚物上，制备具有拒水性能的非织造布。王丹等[14]通过紫外辐射的方法将甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸十二酯接枝到聚丙烯熔喷非织造布上，实验表明接枝改性后非织造布的接触角从78.9°增加到130.2°，拒水性能显著增强。

(2)利用拒液整理剂处理基布制备拒水性非织造布。吕艳如等[15]用碳纳米管(CNT)对SMS非织造布进行处理，经过处理后SMS非织造布的接触角从123.5°增加到141.3°，拒水性增强，并且CNT质量浓度越高，拒水性越好。苏静等[16]用拒水拒油整理剂NUVA HPC LIQ 60/L对SMS非织造布进行后整理，整理后SMS复合非织造布对水、血液和酒精的接触角分别提升50.44%、48.34%和107.6%。曲方圆等[17]利用泡沫整理法对SMS非织造布进行单面整理，整理后对水的接触角可达132.9°。

1.1.1.2 多层复合结构的层叠阻隔结构

为提升非织造布的防护效果，可以将具有阻隔和过滤性的膜材料放置在双层非织造布中间，构成一种三明治式阻隔结构。浙江金三发非织造布有限公司用ES皮芯纤维为原料，通过热风熔融皮层结构固结成布，复合后经过热风穿刺加固形成上下两层热风非织造布，在中间放入拒水液微孔膜形成的拒液层，该种非织造布较传统水刺非织造布舒适感、拒水性得到提升[18]。郭秉臣等[19]在原先纺粘-防水透湿薄膜(SF)非织造布的基础上开发出纺粘-防水透湿薄膜-纺粘(SFS)复合材料医用防护服，结果表明SFS复合材料具有优异的防水性，并且SFS较SF更有效地保护了防水透湿膜，避免了因薄膜强力受损而导致阻隔效果消失。

1.1.2 颗粒阻隔性

医用防护服对微生物阻隔主要是防止病毒和细菌的渗透，当这些病原体混杂在液体中如血液、体液中时，依靠防护服的液体阻隔性就能阻隔。但有些呼吸道疾病如SARS，病毒会通过空气以气溶胶的形式被吸入或附着在皮肤表面造成感染[20]。因此医用防护服还应该具有颗粒阻隔能力，其主要测试指标为过滤效率，即在规定条件下，防护服对空气中的颗粒物滤除的百分数[21]。

纤维过滤机理有5种，分别为拦截、惯性、扩散、重力和静电效应。其中扩散、重力和惯性的过滤效果主要依靠颗粒本身性质如粒径大小、密度等来实现过滤，而拦截和静电效应可通过改善基材得到加强。

对拦截效应而言，可以通过采用超细纤维来增大微粒和纤维之间的直径差，从而增强过滤性。彭鹏等[22]以聚丙烯超细纤维和活性炭颗粒为原料，制备了一种三明治式非织造布，其上下层均为聚丙烯超细纤维，中间层为活性炭颗粒，经测试该种非织造布对1 μm以上粒子的捕获率可达到100%。东华大学陈廷等[23]以平均直径为3.07～8.43 μm的聚酰胺超细纤维为原料，通过熔喷法制备出聚酰胺超细纤维非织造布。结果表明,该种非织造布具有纤维超细化、孔径小、孔隙率高等特点，过滤性能显著。

对静电效应而言，可利用静电驻极工艺如电晕放电法、热极化法等处理非织造布材料，使其成为静电型驻极体非织造布。处理后利用纤维的库仑力就可实现对空气中微粒的捕获，其过滤效果超过纳米级精细度的纤维并且不会增加滤阻。钱幺等[24]以ES纤维针刺非织造布为原料，通过摩擦进行驻极处理，结果表明经过摩擦处理的ES非织造布的过滤效率大幅度提升，过滤阻力有所下降。康卫民等[25]通过电晕放电法制备出了纳米电气石/聚丙烯驻极熔喷非织造布，结果表明驻极体熔喷非织造布的驻极效果大大改善，过滤性能明显提高。

1.2 抗菌性

研究发现，细菌可以在外界自我复制繁衍，而病毒只能寄生于宿主细胞才能存活[26]。因此医用防护服必须具备抗菌功能。

1.2.1 抗菌纤维基医用非织造材料

通过直接采用抗菌纤维或混纺的方法将抗菌纤维和普通合成纤维混合来制备抗菌性非织布。梁志宏等[27]以FFA抗菌纤维(聚丙烯腈与三乙烯四胺TETA经交联、水溶剂体系下胺肟化得到的纤维)和丙纶纤维混合制备了KJW-50PAN的抗菌水刺非织造布，结果表明FFA抗菌纤维对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的抗菌效率均大于99%。潘力等[28]以丝瓜络纤维为原料，通过湿法纺丝方法制备丝瓜络纤维非织造布，结果表明在丝瓜络纤维非织造布上均未出现大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，无细菌繁殖迹象。Xing等[29]以热塑性聚氨酯(TPU)、室温离子液体(IL)、六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓为原料，通过静电纺丝技术制备出均匀的纳米纤维，其制备的非织造布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌效率分别为99.99%和99.9%。

1.2.2 利用后整理改性医用非织造材料

通过将抗菌剂涂覆在非织造布表面，获得具有抗菌性能的非织造布。Gao等[30]将米诺环素/CM-Chit溶液涂覆在经过等离子处理的CAF针刺无纺布表面上，然后通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和羟基丁二酰亚胺(NHS)制备出Mino负载的CM-chit凝胶/CAF无纺布，结果显示该种非织造布能明显抑制大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的活性。陈影等[31]使用特殊杂环类抗菌整理剂TF-618对SMS非织造布进行抗菌整理，结果表明经整理后SMS非织造布具有良好的抗菌性能。

对纤维进行改性处理，即将具有抗菌性能的基团接枝在高聚物大分子上，从而制备出具有抗菌性能的非织造布。孔祥曌等[32]在聚丙烯非织造布表面，用环氧型交联剂乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)和生物大分子壳聚糖进行接枝改性,结果表明改性后的聚丙烯非织造布对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率分别达到96.9%和93.4%。

对非织造材料进行金属化整理，将某些具有灭菌功能的金属离子沉积在非织造布表面，以此制备出具有抗菌性能的非织造布。如研究人员以中空载银纤维和棉纤维为原料，通过水刺法制备出棉/银抗菌非织造布，结果表明当载银纤维含量在5%时，抑菌率可达到65%[33]。王鸿博等[34]利用磁控溅射技术在丙纶非织造布表面沉积银，结果表明表面沉积1 nm厚的银，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率分别达到99.96%和100%。

1.3 抗静电性

医护人员在诊治病人过程中，通常会使用酒精等液体进行消毒处理，而这些液体往往易燃、易爆。如果在喷洒酒精的过程中产生静电，很有可能会引发燃烧、爆炸，从而对医护人员和患者造成伤害，因此医用防护服必须具备抗静电性。要使织物获得抗静电性，就要提高织物的导电能力从而防止电荷聚集。针对这一问题主要有两种解决思路。其一对纤维进行改性处理。苗苗等[35]以冰醋酸为催化剂将氧化石墨烯接枝到聚丙烯非织造布上，结果表明接枝处理后非织造布摩擦带电压从2 855.8 V降到1 094.0 V，摩擦带电压减少了1 761.8 V，抗静电性能达到B级。其二是将具有导电性能的整理剂整理在非织造布表面，从而得到抗静电非织造布。宋会芬等[36]用壳聚糖和阳离子表面活性剂制备复合抗静电剂，然后对丙纶纺粘非织造布进行整理，得到抗静电性非织造布。结果表明，在较低质量浓度(0.25%～0.5%)的静电剂下，织物就能获得优异的抗静电性，不仅能减少静电荷的产生还能快速逸散，且对服用性能无影响。

2 我国一次性医用防护服的技术标准

我国医卫纺织品的技术标准实行较晚，在2003年SARS爆发后才制定了GB 19082—2003《医用一次性防护技术要求》[37]。由于制定时间仓促导致很多指标不够细化、全面，因此我国在2006年后陆续出台了21项标准进行补充。具体如表1所示。

表1 我国医用防护服技术标准类别Table 1 Technical standards of protective clothing in China

续表1

表1中的国家标准和行业标准中详细规定了医用一次性防护服的外观、性能、试验方法、技术参考要求、包装以及贮存等内容，技术参数中除结构、型号规格、断裂伸长率、阻燃、静电衰减为参考性性能，其余均为强制性性能，具体技术标准如表2所示(其中附录请扫描OSID二维码查看)。

表2 医用防护服技术标准参考和要求Table 2 Technical standard reference and requirements of medical protective clothing

续表2

注：表中A为常规型防护服；B为冷环境防护服；C为固态颗粒化学防护服；D为微波辐射防护服；E为酸碱类化学防护服。

从表2可以看出，根据医护人员工作环境不同，我国制定了个性化的防护服技术参数。这有利于在各种环境下有效保护医护人员的生命健康。但仍存在有以下问题：

(1)指标覆盖不全面。如冷环境防护服虽然着重强调了热学性能和透气性，但对服装力学性能未做太多要求。而纤维在低温下其强度和韧性都会有所损失，随着时间的增长，性能损失会加大，这很有可能会破坏防护服的防护效果。因此在强调特殊场合特定功能下，还应该考虑其他性能的衰减率。

(2)对于舒适性要求不高。各类防护服大多着重强调力学和阻隔性能，但对于服用性能涉及不多。而实际生活中，医护人员往往需要长时间穿着，人体微环境的稳定就显得尤为重要。

(3)对防护服一体化设计没有做出要求。目前的防护服穿着太过繁琐，往往需要数人通力合作才能穿戴和脱下，便捷性需要提高。

3 医用防护服智能化展望

医护人员由于工作时间长、工作压力大，会造成极大的身体负荷，这些问题在大规模疫情爆发时尤为突出。因此医用防护服不仅要能抵挡住外来的危险源，更要能监测医护人员身体内部情况，从而全方位地保障医护人员的生命安全。纺织基柔性传感器的发展为医用防护服的智能化提供了可能。

纺织基柔性传感器是纺织材料和柔性传感器的结合，纺织基材具有高柔性及弹性、低成本及结构多元多维化、高亲肤性等特点，在其中结合电子、计算机等高新技术，就能够实现一体化的智能纺织品，其在医疗监控领域有着及其广阔的应用前景[38]。

呼吸、脉搏、心率、体温等对人体健康情况评估有着重要的参考价值，目前纺织基柔性传感器可以实现对这些生理指标的监控。郭秋晨等[39]用6种不同的导电纱线为原料制备出不同尺寸的针织柔性传感器，将其编织为智能无缝服装，用来监测人体心跳、呼吸以及脉搏。结果表明，3种生理指标的数据准确性良好。田新宇等[40]以针织复合组织为基础，采用植入光纤布拉格光栅传感器的空气层与其他组织相结合的织物结构，制备出一种具有高弹性的脉搏传感织物且可更换传感器，不影响穿着舒适性。结果表明，该种脉搏传感织物可低失真度地监测到脉搏波。Özdenir等[41]利用不锈钢丝芯线在纬纱方向上与织物组合制备出一种可穿戴的温度监控系统，可实现对人体温度变化信号的监控。Lou等[42]将氧化石墨烯纳米片涂覆在聚偏氟乙烯纤维上制备成纳米纤维，进而铺展成3D网状，将其应用到服装上可以实现对人体脉搏、肌肉运动的监控。Wang等[43]将蚕丝织物经过碳化处理后再进行封装制成的设备应用到服装上也可具备对呼吸、脉搏、关节运动的监测。杜紫嫣等[44]在面料中嵌入发光织物，当穿着者心率、脉搏发生变化时，织物发光的频率和颜色也会随之改变，并且利用ZigBee和蓝牙无线技术的无线通信网络，可以实现监控者和穿戴者信息交互，能第一时间掌握穿戴者的身体变化情况。

将纺织基柔性传感设备应用到医用防护服中，可实现医用防护服的智能化。不仅能阻隔外界危险源，更能系统、准确地监测使用者的身体情况，并且可以利用无线数据传输技术，将防护服监测的数据实时上传，利用大数据进行分析。对体温、脉搏、血压等重要生理指标超标的数据来源者进行追踪，如果数据连续超标或达到预定上限，系统就会进行提示。这样可以完全避免医护人员因过度劳累损害健康甚至导致猝死的问题，但目前仍存在着以下问题：

(1)传感设备与医用防护服的结合方式选择。目前医用防护服大多为一次性使用，倘若将传感设备无缝植入防护服中，无疑会造成制造成本过高以及传感设备使用效率低的问题。因此找到两者合适的结合点是今后智能化医用防护服亟待解决的问题。

(2)目前的纺织基柔性传感设备在机械磨损或水洗下，可靠性和稳定性极易受到影响，还无法满足日常生活的性能需求。

4 结语

本文综述了医用防护服的主要性能、改进工艺、技术标准。非织造布是医用防护服的主要基材，其阻隔性、抗菌性、抗静电性是重要的性能指标，可以通过纤维改性、混纺、后整理等工艺对重要性能进行提升。医用防护服的性能标准在不断的完善和细化，但对于便捷和舒适性能要求仍有欠缺。此外纺织基柔性传感器在实现医用防护服智能化上具有广阔的应用前景，但制备成本、使用效率和传感器服用性等问题仍面临巨大的挑战。