2. 东华大学纺织面料技术教育部重点实验室, 上海 201600;
3. 东华大学纺织行业生物医用纺织材料及技术重点实验室, 上海 201600;
4. 复旦大学附属中山医院感染管理科, 上海 200030
2. Key Laboratory of Textile Science & Technology, Donghua University, Ministry of Education, Shanghai 201600, China;
3. Key Laboratory of Biomedical Textile Materials and Technology in Textile Industry, Donghua University, Shanghai 201600, China;
4. Department of Infection Management, Zhongshan Hospital Affiliated to Fudan University, Shanghai 200030, China
二十一世纪,冠状病毒引起多次暴发,包括严重急性呼吸综合征冠状病毒(SARS-CoV)[1]、中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)[2]和猪流感[3],是严重危害公共健康的病原体[4]。2019年由新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的新型冠状病毒肺炎(COVID -19)更是在世界范围传播[5],其传播方式有接触传播、飞沫传播、气溶胶传播[6-7]。由于医务人员职业特点,在给患者做医学检查或治疗的过程中,血管一旦发生穿透可能导致高速血流喷射到医务人员面部,当携带有病毒血液、体液或分泌物接触到人体的鼻黏膜、口腔黏膜等时,存在罹患感染性疾病的风险。国际职工健康安全中心对46所医院的调查显示,在481例发生血液接触的医务人员中外科医生占55%,护士占25%[8],不同外科医生面临血液飞溅的风险存在差异[9-10]。口罩作为医务人员的保护屏障,其防血液渗透能力是重要指标,以定量血液在特定压力喷射口罩,内侧是否会发生血液渗透作为评价标准,可能存在肉眼无法观测到的血液喷溅现象[11]。医务人员佩戴口罩时,不同使用场合下对口罩防血液穿透要求不同,特别是高危血液喷溅风险场景标准更高。不同国家和地区对口罩抗血液渗透性能评价标准不同[12-19],但均是单一条件下对血液穿透情况进行视觉观察,缺乏对血液喷射压力、距离、时间等影响因素的定量评估。本研究通过模拟不同血液喷射参数,探究不同口罩防血液穿透能力,并实现血液面积定量,为医护人员合理佩戴口罩提供建议,为口罩生产企业改进口罩设计提供思路,为奋战在一线的医护人员提供切实保障。
1 对象与方法 1.1 研究对象 1.1.1 口罩本试验选取医务人员常用的三个品牌的三种类型口罩作为样品研究,口罩具体信息见表 1。
人工合成血液[pH=7.3±0.1,表面张力(0.042±0.002)N/m],符合标准YY 0469—2011。见图 1。
使用仪器为纤维原位拉伸形貌表征仪(Phenom XL,上海东松医疗科技股份有限公司)。首先将三种口罩样品进行拆解,选取最外侧无纺布进行扫描观察,观察口罩拒水层无纺布的微观结构。
1.2.2 接触角测量使用仪器为接触角测量仪(OCA15EC,北京奥德利诺仪器有限公司)。首先对三种口罩进行拆解,选取最外层无纺布作为研究对象,对平整处的无纺布进行裁剪,规格为1 cm×5 cm。将裁剪好的样品贴伏于表面光滑的载物台上,轻轻按压样品,使其与载物台面无缝隙,便于之后的测量与观察,防止样品中间隆起影响测试结果。
1.2.3 高速摄影仪观察使用仪器为高速摄影仪(i-SPEED5, iX Cameras Ltd)。设置拍摄速率为4000 FPS,即每两张照片的时间间隔为0.000 25 s。从侧面与正面观察血液喷射到口罩表面的运动过程以及血液的喷射流动轨迹。
1.2.4 血液喷射表面观察及血液面积测量 1.2.4.1 血液穿透测试使用仪器为医用口罩合成血液穿透试验仪(JYF-247X,上海际发仪器设备有限公司)。参考国家标准《医用防护口罩》GB 19083,以标准中规定的参数(喷射压力120 mmHg、喷射距离30 cm、喷射量2 mL)作为对照样品。在此基础上,改变喷射参数探究口罩对于合成血液的防护效果,如高压喷射(160 mmHg)、近距离喷射(15 cm)、长时间喷射(60 s)。
1.2.4.2 拍摄取样首先将喷射血液后的口罩样品平行放置于桌面上,放置过程轻拿轻放,防止血液在移动过程中发生洒落。然后将拍摄仪器固定同一高度(距桌面24 cm),拍摄时需将直尺放置于口罩表面进行拍摄,目的是设置相同的比例尺规格,确保后续计算血液面积的准确科学。
1.2.4.3 血液面积计算运用Image J软件计算血液面积,通过调节图像的Hue、Saturation、Brightness值框选出血液区域,即可计算获得不同口罩表面的血液面积。
2 结果 2.1 SEM扫描结果对口罩最外层无纺布进行SEM扫描观察,见图 2。经血液喷射后的口罩表面形态见图 3。外侧拒水层无纺布的电镜照片观察可以看出三种口罩均采用了纺黏热轧点黏合的结合方式。对比发现,样品A口罩黏合点附近的纤维明显多于其他两种,而样品C黏合点周围的纤维较少。样品A黏合点周围的纤维呈现凸起状,黏合点具有一定深度,其他两种样品的黏合点与纤维几乎处于同一平面。
血液干涸后以固体形式存留在表面无纺布的孔洞之中,如图 3样品C;还会以连续片状物附着在黏合点表面,如图 3样品A、B。血液喷射对纤维的影响较小,纤维的形态结构几乎没有发现改变,未观察到断裂、溶胀等现象。
2.2 表面接触角测量结果对三种口罩最外层无纺布的表面接触角测量结果见图 4,可以看到三种口罩表面接触角均大于130°,均具有很好的疏水性。
通过对比发现,样品A的接触角略小,由其特殊表面处理造成。样品A表面存在均匀的压点,见图 5(A)。当进行接触角测量时,表面会呈现出波浪状,如图中红色线条,而在计算时,则是以图 5(B)中蓝色线条进行,会导致测量角度减小。样品A口罩样品表面不光滑,纤网中的黏合点会使表面呈现凹凸状态,粗糙程度大于其他样品,粗糙度增加会增加表面疏水性。
为进一步评价三种口罩的血液防护性能,通过高速摄影与软件处理技术,观察血液到达不同口罩表面的形态与运动轨迹。高速摄影观察血液喷射过程发现血液射流以球状液滴的形式呈散射状向前运动,运动状态类似动脉损伤的特征性喷射,喷射轨迹见图 6。
每隔0.025 s截取一张图片,计算各个时间点下的不同种类口罩附着血液面积,可以得到各个口罩表面血液面积随时间增长的变化情况,见图 7。样品A整体血液面积随时间波动幅度最小,血液面积较为稳定。样品B最终血液面积最小。样品C最终血液面积最大,但在前0.1 s内血液面积增长速率最慢。
三种口罩经血液喷射后形态示意图见图 8。样品A为折叠型口罩,外侧为互呈一定角度的两个平面,且口罩表面粗糙程度大,当血液撞击时,因自身重力向下流动,起到一定的排液作用,使口罩表面聚集的液体减少。但口罩表面的压点会将血液液滴固定,导致较小的液滴不易滚落,血液面积增大。样品B为拱形口罩,具有波浪状结构,血液撞击到口罩表面后会形成大小不一的液滴,液滴由于自身重力滴落与滚动,在滚落过程中遇到波浪状结构会改变运动方向,口罩下部呈现内凹,因此液滴不会顺势接触口罩下部,导致停留在口罩表面的血液较少,血液在样品B表面增长速率较低。样品C为平面口罩,在前0.1 s内血液上升速率最慢,因为血液易穿透表层无纺布,导致血液的溅射能力较差。样品A与样品B在前0.1 s内均呈现出不规则的溅射状形态,而样品C为较规则的圆形,面积相对较小。但由于样品C不能及时进行排液,仅以少量液滴的形式滴落,其血液面积逐渐上升。
人体平均血压在10.6~16.0 kPa(80 mmHg~120 mmHg) 范围内变化,《YY 0469—2011医用外科口罩》要求口罩需抵抗120 mmHg的血液压力,为满足医用口罩特殊应用的需要,对血液渗透要求更为严格的外国标准中,Level 3级别口罩需要抵抗160 mmHg压力。为进一步探究不同种类口罩的抵抗能力,进行了不同喷射压力、喷射距离及喷射时间下血液穿透试验,口罩表面血液形态见表 2。
三种类型的口罩样品在不同压力、距离下,喷射相同体积的合成血液内层均未出现血液穿透现象,性能远超国家标准。当在高压下对三个样品进行60 s长时间的血液喷射时,由于血液体积增大,样品B在三次平行试验中存在一次内层血液穿透,拆解如图 9。
运用Image J软件对口罩表面血液区域进行选取与计算,如图 10所示。不同条件下喷射血液的面积计算结果见图 11。
可以看到样品B在三种条件下的血液面积最小,样品C的血液面积最大。当压力达到160 mmHg时,样品A/B/C的血液面积相对于标准测试分别升高了17.0%、29.6%、76.9%,但仅样品C差异有统计学意义(P < 0.05)。当喷射距离缩短为15 cm时,样品A与样品B的血液面积相比标准有所降低(P值分别为0.036、0.016),分别降低了48.6%、45.3%。
3 讨论口罩表面层无纺布大多采用点黏合加固方式,具有一定的疏水性与防液体穿透性,但不同种类口罩的加工工艺不同,导致无纺布纤维的数量、细度以及孔隙大小与数量存在差异,一定程度上影响了口罩防止血液穿透的能力。
3.1 口罩成型工艺影响血液的流动性与液滴的附着能力口罩的形状与表层无纺布的粗糙度都会影响血液的流动性与液滴的附着能力[20]。三种口罩血液喷射后的血液轨迹分析表明,医用防护口罩(折叠式) 与KN95口罩(拱形)具备良好的排液能力,0.2 s之后血液量趋于稳定,KN95口罩(拱形)由于特殊的波浪状结构使液滴滚落的路径发生改变,其排液能力与阻隔性能表现最优,其次为医用防护口罩(折叠式)。而平面形一次性医用外科口罩,由于液体阻隔性较差导致血液聚集在拒水层与过滤层之间,且具有流动性,其在0.5 s内血液量均呈现上升趋势,若口罩在使用过程中中间层发生破损,流动的血液可能会发生渗透,存在一定污染风险。除此之外,医用防护口罩(折叠式)和KN95口罩(拱形)均存在支撑层,使其具有外凸的形状,更加硬挺,可抵抗一定的血液冲击力。
3.2 加工工艺会影响口罩抵抗血液冲力能力口罩表面的疏水性增强血液阻隔作用。根据Aydin等[21]的研究,液滴在穿透织物缝隙时会产生形变,需要克服表面张力,通常用静态接触角来表征液滴对于光滑物体表面的浸润能力[22]。接触角指液滴在一个平坦的平面上,在没有周围气体运动的情况下,液滴处于平衡状态时的角度[23]。有关粗糙固体表面接触角的大量研究[24-26]中,最经典的有Wenzel模型和Cassie Batex模型。Wenzel模型中提到,对于疏水表面,粗糙程度的增加会增加表面的疏水性能,纤维之间的纠缠抱合也会影响其粗糙程度。
口罩无纺布纤维数量及制备工艺影响血液穿透。热黏合工艺中,通过将纤维网输送到两个热压辊之间,利用热压辊的压力与温度作用,使得纤网中的部分纤维发生热熔,产生黏合力,冷却之后形成黏合点[27]。纤维数量的多少影响到口罩无纺布的单位面积质量,从而导致其孔隙率具有一定差异。孔隙的大小与数量的多少一定程度上影响非织造布血液穿透与渗透的能力。
3.3 医务人员根据实际使用场景合理选择口罩防护调查[28]显示,204名被调查者中,97.5%知道受到血液或体液飞溅时需要佩戴口罩。在重症监护病房(ICU)、手术室等进行有创操作或患者呼吸道有喷溅物的时候,正确合理的选择和使用口罩直接关系到医护人员的生命健康安全[29]。血液喷射过程是以大小不一的球状液滴呈散射状飞行,相互独立,彼此发生碰撞的概率极低,符合人体动脉出血特征[30]。血液到达口罩表面会造成液滴的铺展与飞溅,不同条件下液滴的速度、角度、落点均存在差异,飞溅的程度也跟血液黏度相关[31]。当血液的喷射距离缩短时,近距离15 cm喷射下,液滴的运动轨迹会更加集中重合,由于液滴在运动过程中会受到空气阻力与自身重力影响,所以运动距离越长,液滴的落点范围就更大,当缩短喷射距离后,液滴的落点更加聚集,这样其穿透与浸润能力会更强。当血液的喷射压力增大时,在160 mmHg压力血液喷射下,血液液滴到达口罩表面的速度增大,液滴具有的动能增大,当撞击时液滴的扩散能力更强,沿喷射方向的血滴边缘刺状突起越多,且卫星状血迹逐渐增多,拖尾更拉长[32],血液喷射面积也增大。尤其对于一次性医用外科口罩,血液在口罩内的流动性更大,受到连续不断的液滴冲击迫使其向不同方向进行扩散。测试结果表明,在增大压力、缩短距离条件下,医用防护口罩(折叠式)、KN95口罩(拱形)及一次性医用外科口罩,均可抵抗血液穿透,内层无血液渗透。在长时间60 s(标准0.57 s)高压喷射极端条件下,KN95口罩(拱形)一个样品内层出现渗透而失效,考虑是由于工艺的缺陷或者长时间喷射导致液体在某点发生了穿透,由于毛细效应[33],最终导致血液在内层发生扩散。经研究,本文中三种类型的口罩抗血液渗透能力超出国家标准要求。
本文通过采用高速摄影技术及图像处理技术,模拟血液喷溅条件,对喷溅血迹进行形态学研究。通过将国家标准中的定性观测转化为定量计算血液面积,实现了不同种类、不同形状、不同使用场景下口罩抗合成血液能力的区分与对比,优化了口罩抗合成血液穿透能力的表征方法。本研究为医务人员在不同场景下口罩的选择提供了科学依据,同时也对改进口罩设计及质量稳定性提出新的思路。但由于本研究仅纳入了3个常用品牌的3种不同类型的口罩,所得结论不能完全推及所有品牌口罩的防血液穿透性能,所以本研究亦存在一定的局限性。后续可通过增加样本种类进一步验证证实。
利益冲突:所有作者均声明不存在利益冲突。
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