疫苗冷链安全监控技术研究及应用进展

2021-02-16杨国梁王建信胥义

制冷技术 2021年5期

杨国梁，王建信，胥义*

(1-上海理工大学生物系统热科学研究所，上海 200093；2-上海原能细胞生物低温设备有限公司，上海 201203)

0 引言

疫苗是为了保障人民健康不受传染病影响的一类特殊生物制品，需要严格保障其安全[1]。疫苗通常对温度具有较强的敏感度，处于异常温度下的疫苗活性有可能被破坏，失去预防或治疗效果。为了将活性完好的疫苗从生产地安全有效转移到接种地点为人们接种，需要在生产及运输的过程中将疫苗保持在适应的低温下，并且针对疫苗冷链的各个环节进行严格的监测和管理才能保证疫苗的品质安全。

传统的疫苗冷链安全监测方法主要是采用未联网的设备对疫苗的温度及指标进行测量，并且通过手动将数据记录在纸质文件上。这样疫苗冷链的各个环节的信息无法进行共享，不能实现疫苗的实时监测和异常情况的及时发现与处理，且出现问题时难以溯源和确定责任，传统的手段已远远不能保证公共卫生安全[2]。

随着无线通讯技术、人工智能等信息化技术的发展，疫苗冷链的监控更加信息化和智能化，可实时监控疫苗的品质安全及状态，并可向前回溯了解疫苗从生产到接种的所有信息。疫苗生产商、冷链运输企业、接种医院可以通过信息化疫苗冷链监控系统共享信息，多方共同监控疫苗品质安全，将疫苗安全风险不断降低。因此，加快建设信息化疫苗冷链监控平台对于保障我国人民生命健康，以及促进社会稳定发展具有重要意义。

本文从疫苗管理规定、现有疫苗冷链监控技术以及现有信息化监控平台方面，对疫苗冷链信息化进程进行综合阐述，并基于疫苗冷链的现有问题对未来疫苗冷链的信息化建设方向提出展望。

1 国内外对疫苗冷链的管理规定

针对疫苗冷链的安全管理，国际上和我国都出台了相应的管理标准来对疫苗冷链的各个环节进行严格的质量把控。表1所示为部分国际社会以及我国近五年内新出台的关于疫苗冷链管理的政策，对于疫苗冷链的管理我们需以其中的标准来开展工作。

表1 国内外疫苗冷链安全管理政策

国际社会多从工作人员和培训、储存和温度监测设备、库存管理、产品准备、产品运输、紧急的储存和处理等几个方面对疫苗冷链进行规范管理。我国也极为重视疫苗冷链的安全管理，尤其是在新冠肺炎疫情形势下，我国严格按照现有的疫苗冷链管理政策对新冠疫苗冷链进行质量把控，并积极出台新政策对疫苗冷链的前期准备、运输过程以及应急响应处理等方面进行不断完善，时刻在为长期打好新冠肺炎疫情攻防战做好准备。

2 疫苗冷链需监控的环节及指标

2.1 疫苗冷链需监控环节

为了更好关注疫苗安全，需要对疫苗冷链的各个环节进行详细的了解，我国疫苗冷链流通的总体流程为疫苗从生产企业进行合格的生产后，由各地疾控中心采购后再分配给下级疾控中心，其后再由下级疾控中心分发给各疫苗接种单位进行接种。在各地点之间的运输工具通常采用的是疫苗冷藏车及保温箱[12]。

由于疫苗在转运的过程当中易受环境因素影响而造成疫苗的品质降低。因此，疫苗冷链监控主要针对疫苗运输过程中的储存情况以及到达中转冷库进行静态保存的情况进行监控，并且在监控的过程当中将各个环节的监控信息实时上传至信息化监控平台，通过信息化的监控保证品质优良的疫苗安全到达接种点。

2.2 疫苗冷链监控主要指标

由于疫苗是一种特殊的生物制品，因此其对环境条件的变化较为敏感，参考《新冠病毒疫苗货物道路运输技术指南》[6]以及《中华人民共和国药典2020版》[7]，监控疫苗冷链时需要注意的指标包含温度、湿度、地理位置、光照、容器、化学反应和震动等因素。其中温度和疫苗运送的地理位置是现今疫苗冷链的首要监控指标。

2.2.1 温度

由于疫苗在高温下容易失活，因此需要将疫苗保持在低温下进行运输。如表2所示，现有的几类疫苗保存温度多为2～8 ℃[13]。现今我国使用的新冠疫苗同样也在2～8 ℃下进行保存。但也有需要在较低温度下保存的疫苗，如冷冻真空干燥疫苗需在-15 ℃以下进行保存且可保存约1年时间；美国辉瑞公司生产的mRNA新冠疫苗由于其自身特点，正常情况下需要在-70 ℃的低温进行保存，实验室中常见的超低温冰箱可以实现该类保存温度，但许多不发达国家或地区的医疗中心并没有适用于超低温的储存设备，这对于疫苗冷链的储运条件具有巨大的挑战。

表2 常见类型疫苗的保存温度

2.2.2 地理位置

为避免疫苗在运送过程中出现意外，还需要对疫苗的实施地理位置进行监控。通过监控位置不但可以清晰了解疫苗的运送情况，出现问题时进行紧急处理，也可以为运送车辆提供路况信息，规划最优路线从而提高疫苗运送的效率，使疫苗安全及时地到达接种地点。

3 常用疫苗冷链监控技术及发展

为了实时监控疫苗在冷链中的信息，并将数据及时反馈到管理部门进行处理，疫苗冷链的监控技术主要分为数据采集技术和数据传输技术，数据采集技术负责精准的采集疫苗在运输及储存过程中的状态数据；数据传输技术负责将数据采集终端采集的数据及时反馈给监控平台及管理部门，再由管理部门对疫苗冷链的运行作出指示。

3.1 冷链信息采集技术

3.1.1 温度采集技术

疫苗冷链中监控疫苗保存温度的主要技术方法有两种，即时间-温度记录仪和时间-温度指示器。

时间-温度记录仪即指日常生活中常用的温度计，根据使用目的的区别，目前已有多种温度计，传统用于冷链的温度计有指针式温度计和玻璃管温度计，这两种温度计指示温度直观，但测量精度不高且无法实时联网将数据储存至平台，只能通过手动记录，非常耗时。为了能够实时将温度数据记录并上传至数据库进行分析处理，现今疫苗冷链安全监控首选的温度监测装置是数字温度计，其读数方便、测量时间短以及测量精度高，且某些类型具有温度报警功能、可联网实时将数据上传至监控平台等优点。

时间-温度指示器（Time-Temperature Indicator，TTI）是一种用于实时监测食品、药物等产品安全性的新型指示剂，也可称为温度指示标签[14]。其可以实时监控疫苗本身温度变化，获取疫苗品质，解决了传统标定保质期的做法所带来的不能实时监测产品质量的问题。当前疫苗冷链用到的TTI主要有聚合型TTI标签和电子TTI标签。

目前疫苗冷链最常用的聚合型TTI标签为疫苗温度控制标签（Vaccine Vial Monitor，VVM），其内部包含活性方块和参照圆圈，活性方块的颜色随着温度变化，当颜色与参照圆圈接近时表明疫苗受到温度影响，颜色越深受温度损害越大[15]。

上海理工大学胥义教授团队[16-20]在热敏感标签方面进行了扩散型TTI标签、量子点标签、新型二维码标签等相关研究，表明TTI标签、量子点标签以及新型二维码标签都可以准确的指示温度变化，具有充足的冷链监管能力。

传统TTI温度指示标签虽指示温度直观，但不能获得实时温度数据进行储存管理。现今多采用可实时记录疫苗温度数据的电子TTI标签，如RFID标签和电子VVM标签。

RFID主要包括天线、温度传感器、存储单元和报警单元等几部分。采用RFID读写器扫描疫苗包装上的标签可以获取疫苗温度信息[21]。电子VVM标签自带二维码，采用具有NFC功能的手机扫描标签后可获取标签记录的温度数据[22]。

3.1.2 地理位置监控技术

疫苗在运输过程中需要实时监控疫苗的位置，以保证在规定时间内将疫苗安全的转运到疫苗接种地。因此，疫苗冷链中用于监控疫苗运送的地理位置的技术主要是全球卫星定位系统（Global Positioning System，GPS）技术。

GPS技术于1938—1995年间投入商用，并在1995—2015年间逐渐覆盖全球市场。1995—2005年期间，GPS技术主要应用于科学研究、测量学、军事和旅行等多个方面；到了2005—2015年十年间，GPS技术已广泛应用在手机、无人机等智能设备之上，并且至今仍在不断革新技术，随着2020年中国北斗导航系统的全球覆盖，GPS技术的应用会更加广泛[23]。

在疫苗冷链中，通常采用GPS技术实时监控疫苗冷冷藏车位置及运行状况，了解疫苗在途中是否安全，是否能快速有效的到达，以及提供路线分析、路线优化、记录车辆的历史轨迹，以供运行评估，进行指挥调度。邹金成等[24]开发了一种基于北斗/GPS导航定位的冷链物流监控系统，包括北斗/GPS双模定位模块、车载监控模块以及远程监控模块。北斗/GPS双模定位将定位信息传输到车载监控模块，车载监控模块中可实时检测并储存冷链物流运输车中的温湿度数据，所有数据通过北斗数据传输模块发送到远程监控模块进行管理，该系统能够保证疫苗冷链全程处于监控之下，将疫苗安全风险降到最低。

3.2 冷链数据传输技术

为及时了解疫苗冷链的情况，冷链数据传输技术需快速、准确且安全，包含近距离数据传输技术和远距离数据传输技术。近距离有RFID、Zigbee、NFC等数据传输技术，其主要对疫苗在中转冷库静态储存以及运输过程的数据进行采集。远距离有GSM、GPRS、CDMA、4G/LTE和LORA等数据传输技术，将温度数据传输至云监控平台提示管理部门监控并处理冷链的异常问题。

4 国内信息化疫苗冷链监控平台

基于现有的温度监控技术及网络传输技术，国内目前也建立了几项较为成熟的疫苗冷链监控平台，为疫苗安全保驾护航。如美的智慧疫苗接种场景，其依托于物联网技术，将智能技术应用于疫苗冷链输送及疫苗接种工作上，实现了数字化门诊系统的对接和数据交互，确保了疫苗冷链、接种台与疾控中心信息数据共享，实现了疫苗接种自动化管理、智能盘点和安全接种。类似的较为成熟的疫苗云监控平台还有海尔智慧疫苗网、中科美菱疫苗冷链监控平台等。

邹金成等[24]进行了可用于疫苗冷链监控的平台开发，开发了一项基于GPRS和ZigBee传输技术的血液冷链及信息化管理系统，可通过血袋标签来获取血袋的温湿度信息传输给网络协调器，再通过GPRS网络上传至数据库以供管理部门后台管理冷链。邹金成等[25-28]研究了基于无线传感网络的多温共配冷链信息监测系统，包括无线传感网络、车载终端和远程监控系统几部分，其中传感网络内包含多个传感器节点来获取温湿度信息转发至协调器，协调器将数据转发至车载终端，最后GPRS和Internet网络将数据储存进数据库以供冷链管理。