屏障环境下换笼操作对局部洁净度影响的动态研究*

暨南大学实验动物管理中心 张建平 傅江南

0 引言

随着我国生命医药学科领域的飞速发展，科研对实验动物的需求量逐年攀升，据不完全统计，2018年的市场规模为24.4亿元，并且未来5年内，有望以每年20%～25%的速度增长(1)智妍咨询集团.2020—2026年中国实验动物行业市场现状分析及未来前景规划报告，2020。实验动物质量对生命医药科学而言，就是“活的天平”“分析纯级试剂”，为保证实验动物质量，科研数据排除非实验施加因素的干扰，国家制定了实验动物微生物学、遗传学、环境及设施等质量系列标准。没有合格的实验动物，实验数据的真实性、客观性和可溯源性就无从谈起。为保证实验动物质量，实验动物设施屏障环境质量是重要的前提，GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》标准对保证屏障环境洁净度要素提出了相关环境参数[1]。这些环境指标是指导该类设施设计、建造、维保及相关装备研发的重要依据，同时，也是制定屏障环境作业指导书(操作规程)的主要根据。由于屏障环境洁净度参数在GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》中是静态指标[1]，为了探索屏障环境内动物饲育区动态空气洁净度变化规律及屏障环境污染原因，为作业指导书提出理论依据，故进行本文实验研究。

1 材料和方法

1.1 仪器与设备

被测设备：国产90笼位小鼠独立通风笼系统(independent ventilation cage, IVC)设备放置于实验动物屏障设施内，所在房间面积约40 m2，无其他洁净度干扰设备。

检测仪器：采用光散射粒子计数器[2]计量校准的参考程序标定的在线粒子计数器系统1套，粒子检测设备5台，采样流量为2.83 L/min。

1.2 环境条件

检测现场条件：大环境洁净度满足GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》要求。小环境条件：国产IVC笼盒系统，布满笼盒，笼盒内饲养小鼠≤5只，设置换气次数为45 h-1。IVC笼盒更换频率为1次/7 d，检测期间按照作业指导书换笼、清洁卫生等，灭菌后的笼盒放置IVC笼架旁，换笼操作人站于笼架前，按顺序从上到下逐个更换，更换后所有脏笼盒均及时推至室外。

1.3 实验方法

采用5台粒子计数器和5个采样口，通过接口板与计算机相连。监测结果生成数据和粒子浓度变化曲线。采样点分布如图1所示。

图1 粒子数采样点分布图(单位：mm)

粒子计数器采样点依据GB 14925—2010《实验动物 环境及设施》附录E设定。

1) 在IVC设备周围1.4 m高度处设采样点1、2：由于换笼操作打开笼盒，部分粒子扩散。

2) 依照人体工效学原理在1.4 m(人员操作界面)和2.2 m高度处(IVC笼架操作界面上方)分别设采样点3、4。

3) 在远离IVC操作界面的房间角落1.4 m高度处设采样点5。

共设置5个采样点，24 h实时记录空气粒子变化数据，选取48 h的检测数据作为此次研究的基础分析数据，对连续60 min内检测的数据求平均值，并将单位换算为粒/m3，作为每小时的粒子浓度值。

2 实验结果

图2显示了粒径0.5 μm粒子的浓度变化。图2结果表明：1) 设施内大部分时间0.5 μm的尘埃粒子浓度小于352 000粒/m3，满足洁净度7级的要求；2) 换笼操作期间，打开笼盒，笼盒内的垫料颗粒物随换笼操作，不断无组织地向周围环境扩散，导致采样点3、4的粒子浓度陡然升高，超过352 000粒/m3，洁净度降低到8级；3) 达到峰值后约2 h恢复7级洁净度要求；4) 其他采样点的粒子浓度也有所增加；5) 空气粒子呈规律性变化，从换笼开始到结束，洁净度变化明显。

图2 粒径0.5 μm粒子的浓度变化曲线

图3显示了粒径0.3、0.5 μm粒子的浓度变化。由图3可以看出，0.3 μm粒子浓度变化趋势与0.5 μm粒子浓度变化趋势一致，也进一步说明换笼操作时，各检测点洁净度均呈下降趋势。

图3 粒径0.3、0.5 μm粒子的浓度变化曲线

背景洁净度可以保持在ISO 7级状态，当笼盒更换等操作时，引发尘量剧增，局部粒子浓度陡然升高，洁净度等级降低至ISO 8级甚至更低，在此状态下IVC设备室内取风，易导致IVC内污染。当操作截止2 h后，洁净度恢复为ISO 7级。

3 讨论

3.1 动态洁净度是影响实验动物质量的重要因素

屏障环境洁净度是保证实验动物质量的前提，进入大环境、小环境空气颗粒物的变化，是影响实验动物是否被污染的主要空气要素。本研究结果显示，非换笼期间，设施内0.5 μm粒子的浓度均保持在较低水平，可满足ISO 7级洁净度要求，此时可近似为静态检测。但在换笼期间，污染物从笼盒内扩散，并在一定距离内影响周围环境，同时人员在不断操作和移动过程中扰动空气，也会加剧污染物的扩散，停止更换笼盒后，一段时间内，污染物逐渐随气流排至室外，此过程符合污染物扩散特性。因此，动态洁净度指标对保证实验动物质量尤其重要。

3.2 实验动物屏障环境运行应重视“少产尘”机理

实验动物屏障设施是特殊用途的洁净室或相关受控环境，前提是必须保证在密闭空间内的洁净度要求。洁净室原理通俗理解为：大环境“不进入或少进入尘粒”、运行中“不产生或少产生尘粒”、产生后“快速排除尘粒”三原则。然而目前绝大多数实验动物屏障设施都采用大环境全面通风的气流组织模式，没有对局部产生的大量粉尘颗粒采取有效措施，故在换笼操作期间，污染物不能被及时排走，而是不断从笼盒内向大环境扩散，扩散出来的颗粒物受周围大环境气流的卷吸和局部操作的扰动，导致距污染物扩散点近的位置，粒子浓度高，随着距离的增加，越来越低；但在停止操作后，污染物被不断稀释，粒子浓度逐渐降低，恢复洁净状态。因此，在制定作业指导书时，应把笼盒更换产生洁净度降低的因素考虑在内，采取局部通风措施，解决被污染的危险。同时，设备研发应满足局部通风和笼盒更换洁净度问题。且在实验动物屏障设施设计、建造、运行过程中，为了保证实验动物不被污染，坚持以洁净室原理为依据是十分必要的。

3.3 动态监测洁净度对实验动物屏障环境参数有指导意义

实验动物屏障设施建成后，是按照静态检测并进行验收的，但运行时，应考虑空气洁净度在不同作业状态下的变化规律，建议在换笼操作期间或制定作业指导书时，考虑采取相应的措施，把污染空气控制在较小的范围内，并及时排至室外，减少空气中尘埃粒子及细菌病毒积存的载体。本研究采用实时在线连续粒子数检测系统进行粒子数检测，排除了因人工及临时扰动引起的误差及检测数据不连贯等缺陷。通过检测数据预测污染物扩散规律，探讨实验动物设施管理及防感染、避免生物安全事故发生的措施。

4 结语

实验动物屏障设施内IVC笼盒更换操作时空气洁净度发生明显变化。污染物的主要来源、产生时间、原因及变化趋势，可为实验动物设施运行管理提供依据。