医用一次性防护服材料辐照灭菌后效应研究

王京君，李伯龙,2，孙其众，张 悦，李浩鹏，李梦媛，王连才，沈以凌，代 培

(1.辐射新材料北京市重点实验室，北京市射线应用研究中心，北京 100015；2.北京市辐射中心，北京 100875)

2020年初，新型冠状病毒引发的肺炎疫情肆虐，抗“疫”前线的医护人员对医用一次性防护服等医疗物资提出了急迫需求。随着疫情的扩散，各地医疗物资需求激增，医用一次性防护服紧缺。除了原材料因素外，目前医用防护服的消毒灭菌工艺也是限制其生产效率的重要因素。由于国内医用防护服采用传统环氧乙烷灭菌工艺，该工艺灭菌后，需要对产品进行7～14 d解析，以释放出残留的有毒环氧乙烷，这大幅增加了医用防护服及口罩的生产周期，无法迅速满足抗“疫”工作的需要。针对这种情况，我国启动了《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》和《医用一次性防护服辐照灭菌参考流程》，并在全国范围内推广防护服辐照灭菌工艺。使用辐照灭菌技术后，防护服的灭菌周期从14 d减少到1 d，大幅缩短了生产周期，缓解了防护服供需矛盾，受到行业内外的广泛关注[1-2]。

辐照灭菌作为一项安全、绿色、高效的物理消毒方式，在欧美发达国家广泛应用于医疗器材的灭菌中，使用普及率大于40%，中国约为10%[3]。与传统环氧乙烷灭菌工艺相比，辐照消毒灭菌的主要优势有：1) 绿色环保，无化学气体排放，无污染，处理对象无环氧乙烷残留；2) 灭菌彻底，γ射线及电子束具有较强的穿透力，在一定剂量条件下能杀死各种微生物；3) 常温即可进行灭菌，是一种“冷加工”法，特别适合一些热敏材料，如塑料制品、尼龙、化纤制品、生物制品等；4) 灭菌速度快，操作简便，相比传统环氧乙烷灭菌，辐照灭菌无需解析，可不间断的连续作业，有利于实现工业化生产；5) 可在产品包装完成后进行消毒灭菌，避免发生二次污染[4-5]。

未来辐照灭菌工艺将逐步取代环氧乙烷灭菌工艺[6]。根据蒙特利尔公约规定，要在全球范围内逐步禁止使用环氧乙烷[7]。欧美国家不断探索替代环氧乙烷的新方法，2019年美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)还向全球公开征集替代环氧乙烷的灭菌方案[8]。目前国内环氧乙烷灭菌仍然占据绝对主导地位。

一次性防护服材料因其所使用的原材料不同而具有不同的性能，按原材料类型来分，主要有聚丙烯纺粘布、聚酯纤维与木浆的复合水刺布、聚丙烯纺粘-熔喷-纺粘复合非织造布，即复合无纺布(Spunbond Meltblown Spunbond Nonwovens, SMS)或复合无纺布SMS无纺布的技术延伸(Spunbond+Meltblown Meltblown Spunbond Nonwovens, SMMS)、闪蒸法一次性成型非织造布、聚乙烯透气膜和非织造布复合布等[9]。

以上材料生产的医用防护产品能适应现有环氧乙烷灭菌工艺条件，但并不完全具备辐照灭菌的适应性。防护服在材料选择上和生产工艺上均与传统的环氧乙烷灭菌工艺相匹配，经过环氧乙烷灭菌处理后，防护服材料性能可以满足国家产品标准的要求[6]。但是有关医用防护材料的耐辐照性能的研究国内外都鲜有报道，辐照灭菌工艺对一次性防护服使用的非织造纤维材料力学性能、抗液体渗透性能和过滤效率等关键性能的影响未进行深入研究。为了充分发挥辐照技术在防护服灭菌工艺的先进性，亟需对防护服材料的辐射效应开展研究。

防护服所用材料不同，性能存在较大差异，辐照工艺的选择对其灭菌能力、机械性能及防护性能也存在影响，本文选取国内防护服生产厂家广泛使用的SMS材料和SMMS材料，研究灭菌剂量辐照后材料的耐辐照性，综合性评价放置不同时间下，受辐照影响较为显著的指标(表观形貌和力学性能)和与防护密切相关的性能(液体阻隔性能和过滤效率)的衰减变化情况，以期对辐照加工服务企业和防护服生产企业为社会提供高质量的医疗防护材料提供参考。

1 主要材料与仪器

1.1 主要材料

市售医用一次性防护服主要以聚丙烯为主体材料，本文主要选取材料：国内厂家A生产的由聚丙烯、纺粘无纺布和聚乙烯透气膜组成的医用一次性防护服。

1.2 主要仪器

电子扫描显微镜：日本JEOL JCM-500；万能试验机：美斯特 SANS；血液穿透性能测试仪：上海程斯 CSI-286A；抗水渗透-静水压测试仪：东莞思泰AATCC127-2003；自动滤料检测仪：美国TSI-8130。

1.3 辐照装置

采用设计装运量1.85×1017Bq，拖轨式γ射线辐照装置。

2 实验方法

选取国内厂家A生产的医用一次性防护服材料，用1.85×1017Bq60Co辐照装置产生的γ射线源进行辐照灭菌处理，结合厂家防护服初始菌含量和无菌保证水平的要求，本实验建立的灭菌剂量为25 kGy，辐照时间为5 h。

2.1 外观形貌表征

通过电子扫描显微镜对防护服的形貌进行测试。将防护服关键部位裁剪为5 mm×5 mm的样品，粘在样品台的导电胶上，进行1 min的喷金处理，在电压10 kV、放大倍数为100倍条件下进行观察。

2.2 力学性能

采用万能试验机对防护服的断裂强力和断裂伸长率进行测试。从每一件防护服样品剪取两组试样，一组为纵向试样，另一组为横向试样。取样时尽量避开折痕较多的部位，裁剪尺寸为300 mm×50 mm，拉伸速率为100 mm/min。

2.3 抗合成血液渗透性能

采用血液穿透性能测试仪对防护服材料进行抗合成血液渗透性能测试。在每一件防护服样品上随机采取3片75 mm×75 mm的实验样品。将样品正常外表面面向实验槽放入槽内，组装并拧紧穿透实验槽。将50 mL的合成血液注入实验槽内，将一定压力的空气从上部入口输入到穿透实验槽内，保持5 min，观察是否有合成血液渗出。

2.4 抗水渗透性能

采用抗水渗透-静水压测试仪对防护服材料的抗水渗透性能进行测试。将试样水平放置，且不鼓起，把试样夹紧在实验压头中，使织物实验面与水接触。然后对试样增加水压，织物表面承受水压的面积为100 cm2，水压上升速率为(60±3) kPa/min，观察是否出现渗水迹象。

2.5 颗粒物过滤效率

采用自动滤料检测仪对防护服的过滤效率进行测试。用夹具将防护服材料气密链接在检测装置上，检测开始后，记录初始的过滤效率。检测应一直持续到过滤效率达到最低点或者滤料上累积(200±5) mg颗粒物为止，连续记录过滤效率结果。

对未辐照和辐照灭菌处理之后的防护服材料进行以上表征测试。命名“辐照-×× d”代表辐照灭菌处理后放置“××”天后的防护服样品。

3 结果与讨论

3.1 外观形貌表征

医用一次性防护服材料内层为熔喷聚丙烯材料，通过扫瞄式电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)照片(图1)可以看出，未辐照的防护服熔喷纤维粗细均匀，与热熔压纹之间连接紧密，没有缺陷。辐照灭菌处理后，熔喷纤维并未出现降解断裂情况，与压纹之间连接也未出现断裂。放置60 d后，同样未出现脱丝或者断裂的情况。说明辐照灭菌过程并未对防护服材料的形貌包括熔喷纤维和热熔压纹造成破坏。

图1 辐照前后防护服纤维与压纹形貌SEM照片Fig.1 The SEM images of fiber and embossing of protective clothing before and after irradiation

3.2 力学性能测试

虽然辐照灭菌过程对材料的形貌和阻隔性能影响不大，但是辐照对SMS或SMMS中的聚丙烯熔喷纤维的降解作用，在力学拉伸过程中就会突显出来。由于防护服材料的力学性能直接决定防护服能否正常使用，因此本文对辐照灭菌处理后防护服横向和纵向力学性能进行重点考察，防护服材料辐照前后断裂强力、断裂伸长率分别示于图2、图3。由图2、图3可知，未辐照的防护服材料其断裂强力为70 N(横向)和131 N(纵向)，断裂伸长率为70.5%(横向)和87%(纵向)，由此可见防护服材料的纵向力学性能优于横向力学性能。辐照处理后，无论横向还是纵向的力学性能均有所下降，因为聚丙烯属于辐照降解型聚合物，伽马射线的辐照会造成聚丙烯分子链的断裂，会降低力学性能。辐照处理后的断裂强力最多下降24.3%(横向)和21.4%(纵向)，断裂伸长率最多下降35.5%(横向)和46%(纵向)。虽然下降的较多，但是国标GB/T 19082-2009要求防护服关键部位材料的断裂强力≥45 N，断裂伸长率≥15%，本文中经过辐照灭菌处理的防护服材料满足要求。

图2 辐照前后防护服材料横向和纵向断裂强力Fig.2 The horizontal and vertical breaking force of protective clothing materials

图3 辐照前、后防护服材料横向和纵向断裂伸长率Fig.3 The horizontal and vertical elongation at break of protective clothing materials

3.3 抗合成血液穿透性能测试

患有传染病的患者其血液中可能带有传染性极强的病毒，因此医用一次性防护服阻隔血液渗透的性能十分重要，本文对抗合成血液渗透性能进行测试，结果列于表1。未辐照和辐照-0 d的防护服材料的抗合成血液渗透等级均为6级，放置30 d后，材料阻隔血液渗透的能力略有下降，等级下降至5级。当辐照灭菌放置60 d后，抗合成血液渗透等级为4级，根据国标GB/T 19082-2009规定达到3级即为合格，因此满足防护服合格产品要求。

3.4 抗水渗透性能测试

除了血液之外，其他一些医疗过程中产生的污水同样也有可能携带传染性病菌，因此本文对抗水渗透性能进行测试分析，防护服材料辐照前、后液体阻隔性能列于表1。由表1可知，未辐照的防护服其阻隔水分的能力很强，高达27 kPa，但经过25 kGy的辐照灭菌处理后，其抗水渗透性能降低至15 kPa，放置60 d后，为13 kPa，根据国标GB/T 19082-2009要求，防护服的抗水渗透性能要高于1.67 kPa，辐照后的防护服是合格产品。因此可以初步判断，辐照对材料的抗水渗透性能有所影响，但是辐照后放置不同时间的防护服性能变化甚微，说明后效应的影响很小，且抗水渗透性能远高于国标要求。

表1 防护服材料辐照前、后液体阻隔性能Table 1 Barrier properties of protective clothing materials liquid before and after irradiation

3.5 颗粒物过滤效率测试

医务人员在工作时接触具有潜在感染性的空气中的颗粒物同样也会有被传染的风险。因此，医用一次性防护服材料应具有隔离有害超细粉尘的作用，进而保证医护人员的安全和保持环境清洁。辐照灭菌前、后防护服的过滤效率测试结果列于表2。从表2中可以看出，无论是未辐照还是辐照处理过的防护服其过滤效率均≥99.8%，说明辐照灭菌对医用一次性防护服材料的过滤效率几乎没有影响。

表2 防护服材料辐照前、后过滤效率Table 2 Filtration efficiency of protective clothing materials liquid before and after irradiation

4 结论

本文分别对比了辐照前、辐照后放置0、14、30、60 d后的防护服材料样品的形貌和性能。结果表明，辐照效应对材料的抗合成血液渗透、抗水渗透和过滤效率并未造成明显影响。所考察的性能指标尤其是力学性能在辐照灭菌处理后虽有下降，但完全满足国标GB/T 19082-2009要求，进而明确A厂家防护服本体材料经过辐照灭菌处理后产品质量合格。从疫情爆发至今，已有上千万件医用防护服经过辐照灭菌处理并使用，未接到防护服生产厂家或医疗机构关于辐照灭菌处理的防护服质量不合格的反馈。因此结合实际使用情况和实验数据，辐照灭菌工艺能够满足防护服关键性能的基本要求。