許 零 蘇智陽 周麗娟 陳 功 洪紫堅(jiān) 吳 晶 黃 敏 石留音 李宏偉 吳瀝豪

1（廈門大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院 分子疫苗學(xué)與分子診斷學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廈門 361102）

2（廈門市食品藥品評審認(rèn)證與不良反應(yīng)監(jiān)測中心 廈門 361003）

3（金日制藥（中國）有限公司 廈門361100）

4（廈門鑫科高能電子有限公司 廈門 361100）

5（弓立（廈門）醫(yī)療用品有限公司 廈門 361100）

2020年初，新型冠狀病毒（SARS-CoV）引發(fā)的肺炎疫情在全球范圍內(nèi)爆發(fā)并迅速蔓延。2020年3 月11 日，世界衛(wèi)生組織（World Health Organization，WHO）舉行新聞發(fā)布會宣布新型冠狀病毒爆發(fā)為全球大流行［1］。彼時(shí)全球的口罩庫存和生產(chǎn)能力都遠(yuǎn)不能滿足需求，醫(yī)護(hù)人員處于高風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境下，醫(yī)用口罩被認(rèn)為是最為有效的阻隔病毒傳播的手段之一。目前，常用的醫(yī)用口罩主要有一次性使用醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護(hù)口罩等［2］?？谡值姆雷o(hù)作用主要依靠熔噴布孔徑過濾和靜電吸附作用，就其防護(hù)效果而言，醫(yī)用防護(hù)口罩＞醫(yī)用外科口罩＞一次性使用醫(yī)用口罩。目前，口罩滅菌方法的研究主要集中在化學(xué)方法（過氧化氫、二氧化氯、漂白劑、酒精、肥皂溶液和環(huán)氧乙烷、臭氧去污等）和物理方法（干法/蒸汽熱處理、紫外線滅菌、電子束和γ 射線等）［3-5］。以傳統(tǒng)的環(huán)氧乙烷滅菌為例，該滅菌方式需要進(jìn)行長達(dá)兩周的滅菌和解析，嚴(yán)重阻礙口罩的供應(yīng)速度；環(huán)氧乙烷的毒性對生產(chǎn)環(huán)境和周邊環(huán)境都造成了很大的危害，對人類的健康產(chǎn)生了不良影響［6］；極易改變或降低濾料纖維的靜電特性，進(jìn)而影響微粒的過濾水平［7］。輻照滅菌作為生產(chǎn)效率高、工藝安全可靠的滅菌技術(shù)，近幾十年來被廣泛用于醫(yī)藥和食品等領(lǐng)域［8］。輻照滅菌是美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)可的醫(yī)療用品終端滅菌方法，其優(yōu)勢主要包括：過程無需解析時(shí)間，操作簡便，可連續(xù)處理，從而顯著縮短滅菌周期，大幅提升滅菌處理效率；電離輻射能量高、穿透力強(qiáng)、殺菌徹底，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品包裝后消毒滅菌，避免微生物二次污染；無環(huán)氧乙烷排放、無污染、無殘留，是一種綠色環(huán)保消毒滅菌技術(shù)［9］。目前，發(fā)達(dá)國家生產(chǎn)的一次性醫(yī)療用品中，40%～50%都經(jīng)過輻照滅菌處理，由此可見輻照滅菌是一種安全可靠的方法，它能有效殺死包括炭疽在內(nèi)的細(xì)菌和病毒［7］。醫(yī)療用品輻照滅菌在常溫常壓下，依托輻射加工裝置對包裝好的一次性醫(yī)療用品、衛(wèi)生用品、手術(shù)器械、醫(yī)用敷料等進(jìn)行輻照，從而達(dá)到消毒、滅菌的目的。以醫(yī)用口罩滅菌為例，用環(huán)氧乙烷滅菌常規(guī)需要14 d，即使加速解析也需要數(shù)天，產(chǎn)能嚴(yán)重滿足不了當(dāng)前疫情防控的需求，環(huán)氧乙烷殘留也給醫(yī)護(hù)人員、生產(chǎn)操作人員和環(huán)境帶來很大危害；而采用輻射滅菌工藝，單箱產(chǎn)品幾分鐘即可完成輻照滅菌，一個(gè)集裝箱產(chǎn)品大約幾小時(shí)可完成，無殘留和危害。有研究證實(shí)SARS-CoV 可通過10 kGy 吸收劑量下的輻照進(jìn)行滅活［10］。

本研究團(tuán)隊(duì)受廈門市疫情防控指揮部委托，對三種醫(yī)用口罩輻射滅菌工藝適應(yīng)性進(jìn)行了研究，以期為醫(yī)用口罩等衛(wèi)生防護(hù)用品輻射滅菌的可行性及風(fēng)險(xiǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

一次性使用醫(yī)用口罩（弓立醫(yī)療用品有限公司，規(guī)格：10 盒×2 層×50 片/盒）、醫(yī)用外科口罩（弓立醫(yī)療用品有限公司，規(guī)格：10盒×2層×50片/盒）、醫(yī)用防護(hù)口罩（弓立醫(yī)療用品有限公司，規(guī)格：6 盒×3 層×20 片/盒）。三種口罩的分層結(jié)構(gòu)圖如圖1(a)～(c)所示，三者均為正常生產(chǎn)包裝。

圖1 一次性使用醫(yī)用口罩（a）、醫(yī)用外科口罩（b）、醫(yī)用防護(hù)口罩（c）的典型三層結(jié)構(gòu)；輻照設(shè)備（d）及運(yùn)輸系統(tǒng)（e）示意圖Fig.1 Typical three-layer structure of single-use medical masks(a),medical surgical masks(b),and medical protective masks(c);schematic diagram of irradiation equipment(d)and transportation system(e)

輻照采用同方威視電子加速器輻照加工系統(tǒng)（10 MeV/20 kW），其構(gòu)成如圖1（d）所示。加速器主要性能指標(biāo)：電子束能量10 MeV；平均束流的最高流強(qiáng)2 mA；束流平均功率20 kW；掃描寬度300～850 mm（可調(diào)）；輸運(yùn)速度10～180 mm/s（可調(diào)），輻照容器為800 mm×800 mm×110 mm 托盤，輸運(yùn)傳送裝置如圖1（e）所示，全長為66 m，采用輥軸輸運(yùn)系統(tǒng)。

1.2 輻射條件

對三種醫(yī)用口罩進(jìn)行電子束輻射滅菌適應(yīng)性研究。由廈門鑫科高能電子有限公司開展電子束輻射滅菌，對吸收劑量為0 kGy（未輻射）、4 kGy、6 kGy、8 kGy、10 kGy、12 kGy、16 kGy、20 kGy 和25 kGy 的樣品開展輻射滅菌工藝驗(yàn)證，并進(jìn)行對比研究；由弓立醫(yī)療及金日制藥共同完成對輻射樣品的檢測，托盤上輻照的每個(gè)實(shí)驗(yàn)組每個(gè)樣品各取樣一盒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)品性能分別依據(jù)GB 19083—2010［11］以及YY 0469—2011［12］、YY/T 0969—2013［13］進(jìn)行測試。

1.3 測試和表征

1.3.1掃描電子顯微鏡（Scanning electron microscope,SEM）測試

采用Leica CPD300 型掃描電子顯微鏡對樣品外表面微觀形貌進(jìn)行分析，其工作電壓為15 kV，倍率為100。將口罩熔噴過濾層的樣品剪成小塊，用導(dǎo)電膠固定在樣品臺上，噴金處理，然后在電鏡下觀察樣品的表面形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1.3.2通氣阻力測試

依據(jù)GB 19083—2010 以及YY 0469—2011、YY/T 0969—2013行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用TSI 8130 自動濾料測試儀，測定三種口罩在常規(guī)條件下的通氣阻力。

1.3.3拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率測試

口罩樣品制備為啞鈴型樣條，長120 mm，寬25 mm，采用TA-XT plus 質(zhì)構(gòu)儀，夾持距離(200±1) mm，以100 mm/min 恒定伸長速率拉伸樣品直至斷裂，對不同劑量輻照前后的口罩樣品進(jìn)行拉伸性能測試，每個(gè)樣品測量3次［14］。

1.3.4顆粒過濾效率測試

依據(jù)GB 19083—2010 以及YY 0469—2011、YY/T 0969—2013行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用TSI 8130 自動濾料測試儀，測量口罩樣品對NaCl 顆粒物的過濾效率。檢測溫度條件為(25±5) °C，相對濕度為(30±10)%，NaCl顆粒物濃度不超過200 mg/m3。

1.3.5微生物指標(biāo)測試

準(zhǔn)確稱取(10±1)g樣品，剪碎后加入到200 mL滅菌生理鹽水中，充分混勻，制成1∶20的樣品勻液。用無菌吸管吸取上述供試液各1 mL，分別放入5個(gè)無菌平皿中，及時(shí)將冷卻的營養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基傾注于平皿，每個(gè)平皿15～20 mL，并轉(zhuǎn)動平皿使其混合均勻；待瓊脂凝固后，將平板翻轉(zhuǎn)倒扣1 h以上，置于(35±2) ℃生化培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)48 h參考GB 15979—2002［15］附錄B的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)菌菌落總數(shù)的計(jì)數(shù)，以及金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌、大腸桿菌和綠膿桿菌的判定。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收劑量對醫(yī)用口罩不同層形貌的影響

為研究電子束輻照后醫(yī)用口罩的熔噴過濾層是否會直接斷裂產(chǎn)生細(xì)微裂紋，對三種口罩進(jìn)行了SEM測試，結(jié)果見圖2。

圖2 0 kGy、4 kGy、25 kGy吸收劑量下，一次性使用醫(yī)用口罩（a1）～（a3）、醫(yī)用外科口罩（b1）～（b3）、醫(yī)用防護(hù)口罩（c1）～（c3）的熔噴過濾層的SEM形貌Fig.2 SEM imagines of the meltblown filter layer of single-use medical masks(a1)～(a3),medical surgical masks(b1)～(b3),and medical protective masks（c1)～(c3）at absorbed doses of 0 kGy,4 kGy,and 25 kGy

圖2顯示，在不同吸收劑量下，三種市售醫(yī)用口罩的熔噴過濾層的外表面微觀形貌均沒有顯著變化，說明吸收劑量在25 kGy 內(nèi)，電子束對醫(yī)用口罩的外表面材料的微觀物理結(jié)構(gòu)沒有明顯輻照損傷，輻照后沒有產(chǎn)生裂紋，醫(yī)用口罩的微觀結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生直接斷裂。

2.2 吸收劑量對醫(yī)用口罩通氣阻力的影響

除了防護(hù)指標(biāo)外，佩戴的舒適性也是評價(jià)口罩指標(biāo)的重要因素［16］?？谡值耐笟庑允怯绊懪宕魇孢m度的主要因素之一，如若透氣性不好，使用不當(dāng)易引發(fā)一系列不良后果。對輻照后三種口罩的通氣阻力進(jìn)行測試，結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，醫(yī)用防護(hù)口罩的通氣阻力值最大，其次為醫(yī)用外科口罩，一次性使用醫(yī)用口罩的通氣阻力最小。

圖3 不同吸收劑量(0～25 kGy)下一次性使用醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護(hù)口罩的通氣阻力Fig.3 Ventilation resistance of single-use medical masks,medical surgical masks,and medical protective masks under different absorbed doses(0～25 kGy)

非織造布通常借助于物理、化學(xué)等方法將纖維、紗線纏結(jié)形成［17］，一般呈現(xiàn)單纖維網(wǎng)絡(luò)狀構(gòu)造。對于紡織面料，紗線之間的空隙與織物透氣性密切相關(guān)，輻照后三種市售醫(yī)用口罩的通氣阻力變化趨勢顯示，在輻照滅菌之后各組口罩的通氣阻力未見顯著變化，說明在輻照后，口罩中的單纖維層結(jié)構(gòu)、功能完好，電子束對口罩的宏觀結(jié)構(gòu)和防護(hù)功能沒有太大的破壞。

2.3 吸收劑量對醫(yī)用口罩拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的影響

出于實(shí)際應(yīng)用考量，口罩應(yīng)滿足一定強(qiáng)度抵抗撕裂應(yīng)力，所用材料必須保證一定的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率。由圖4可知，三種市售醫(yī)用口罩在受到輻照后，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均受到一定影響。其中，一次性使用醫(yī)用口罩的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率受輻照影響最??；醫(yī)用外科口罩的內(nèi)層、外層伴隨吸收劑量升高，拉伸強(qiáng)度下降最為顯著。表明在電子束輻照過程中，三種口罩的防潮無紡布層、熔噴過濾布層和長纖維無紡布層在分子結(jié)構(gòu)上形成了不同程度的損傷，結(jié)合SEM的結(jié)果分析，應(yīng)當(dāng)是輻照導(dǎo)致了聚丙烯分子鏈發(fā)生斷裂［18］。

圖4 不同吸收劑量(0～25 kGy)下一次性使用醫(yī)用口罩（a1）～（a3）、醫(yī)用外科口罩（b1）～（b3）、醫(yī)用防護(hù)口罩（c1）～（c3）不同層的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率Fig.4 Tensile strength at break and elongation at break of different layers of single-use medical masks(a1)～(a3),medical surgical masks(b1)～(b3),and medical protective masks(c1)～(c3)under different absorbed doses(0～25 kGy)

2.4 輻照及荷電再生對醫(yī)用口罩顆粒過濾效率的影響

口罩能阻隔微生物、飛沫、花粉等顆粒物在人與環(huán)境間傳播，具有一定的保護(hù)功能，其對顆粒物的過濾效率是檢測其應(yīng)用性能的重要指標(biāo)之一［19］。口罩內(nèi)的帶正電荷顆粒通過布朗運(yùn)動與熔噴纖維發(fā)生慣性碰撞后，與熔噴纖維界面上的負(fù)電荷產(chǎn)生靜電力，進(jìn)而產(chǎn)生吸附和攔截的作用［20］。

輻照后三種口罩的顆粒過濾效率降至初始的25%～50%，且受吸收劑量的影響不大（圖5），說明口罩在電子束作用下過濾效率降低的最主要影響是電子與物質(zhì)的相互作用，電子在輻照后的口罩材料中產(chǎn)生電離或者激發(fā)，釋放出軌道電子，形成自由基等改變原來的分子結(jié)構(gòu)，自由基或者其他激發(fā)態(tài)基團(tuán)能構(gòu)成新的分子形式，使得分子鏈斷裂或者原子錯(cuò)位，進(jìn)而導(dǎo)致靜電作用力喪失［21］。利用靜電發(fā)生器對其進(jìn)行荷電再生后，顆粒過濾效率大幅度回升至初始的60%～90%，且受吸收劑量的影響不大，但是和其初始顆粒過濾效率相比仍降低不少，不難看出熔噴布的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度在較低的吸收劑量下應(yīng)該也受到了破壞。

圖5 不同吸收劑量(0～25 kGy)下及荷電再生對一次性使用醫(yī)用口罩（a）、醫(yī)用外科口罩（b）、醫(yī)用防護(hù)口罩（c）顆粒過濾效率的影響Fig.5 Effects of charged regeneration on the particulate filtering efficiency of single-use medical masks(a),medical surgical masks(b),and medical protective masks(c)under different absorbed doses(0～25 kGy)

2.5 微生物指標(biāo)

本實(shí)驗(yàn)中，一次性使用醫(yī)用口罩和醫(yī)用外科口罩在輻照前后的微生物指標(biāo)均符合放行標(biāo)準(zhǔn)，即細(xì)菌菌落總數(shù)小于20 cfu/g，未檢出金黃色葡萄球菌、溶血性鏈球菌、大腸桿菌和綠膿桿菌等致病菌。醫(yī)用防護(hù)口罩的初始細(xì)菌菌落總數(shù)為36 cfu/g，在4 kGy 的吸收劑量下輻照可對其進(jìn)行滅菌。說明在規(guī)范的口罩生產(chǎn)環(huán)境下，可以達(dá)到衛(wèi)生指標(biāo)，但仍然存在一定的生物安全隱患。弓立醫(yī)療是廈門生產(chǎn)口罩的老廠和大廠，一些緊急上馬的中小型口罩生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的口罩微生物指標(biāo)可能會更差一些，因此對口罩進(jìn)行滅菌是有必要的。

表1 不同吸收劑量下一次性使用醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩的微生物指標(biāo)Table 1 Microbiological criteria of single-use medical masks,medical surgical masks,and medical protective masks under different absorbed doses

續(xù)表

3 結(jié)論

本試驗(yàn)初步確立了弓立醫(yī)療在當(dāng)前條件下生產(chǎn)的三種醫(yī)用口罩輻射滅菌的不適用和適宜劑量范圍。醫(yī)用口罩的厚度、面密度、孔隙率、平均孔徑、纖維直徑等均會影響其過濾效率［22］。

在現(xiàn)有以PP 作為熔噴布主要原材料，以靜電過濾效率為主要過濾原理的口罩生產(chǎn)工藝條件下，輻射滅菌作為主要滅菌手段并不適用。而在新冠疫情和未來不可知的病毒風(fēng)險(xiǎn)仍將威脅人類的時(shí)候，對口罩的需求將持續(xù)較長時(shí)間，而環(huán)氧乙烷滅菌的弊端尚無法消除，在此社會需求下，開展新型口罩生產(chǎn)工藝開發(fā)、探索綠色高效的滅菌技術(shù)及口罩生產(chǎn)材料的研發(fā)是很有必要的，研發(fā)耐輻照的熔噴布原料和不依賴于靜電過濾效率的口罩生產(chǎn)工藝具有很好的前景。對于后續(xù)的研究有一定的啟示意義。

作者貢獻(xiàn)說明許零提出了本文的研究思路和實(shí)驗(yàn)方案。蘇智陽、周麗娟、洪紫堅(jiān)、吳晶、石留音、李宏偉參與材料準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)方案的討論及口罩輻照前后數(shù)據(jù)測定分析。黃敏為確定輻射條件提供了指導(dǎo)。許零、陳功、吳瀝豪完成論文初稿的寫作。許零是項(xiàng)目的構(gòu)思者及負(fù)責(zé)人，指導(dǎo)整個(gè)論文的撰寫與修改。全體作者都閱讀并同意最終的文本。