近年来,中国艾滋病、结核病、病毒性肝炎等重大传染病的感染率居高不下,尤其是2009年爆发流行的甲型H1N1流感更给人们的健康与安全带来了较大的威胁和影响。呼吸道传染病可通过空气和飞沫等形式传播,极易引发大规模人群的集中感染,切断病原菌的传播途径是保护人群健康的有效手段。2007年美国疾病预防控制中心曾公布过临时指导方针,强烈建议人们在流感爆发时佩戴口罩^[1]。在流感爆发的情况下,许多国家把储备生物防护口罩作为非药物干预的手段来控制病毒传播^[2]。随着甲型H 1N1流感在全世界范围内爆发,人们对生物防护口罩的需求量日益增加,这也促进了生物防护口罩技术的研发。为研制防护性能更好、舒适性能更佳的防护口罩,更好的应对流感等呼吸道传染性疾病的爆发,保护居民的健康与安全,本文对目前生物防护口罩材料及防护性能研究进行综述,并提出建议。

生物防护口罩是指在生物污染环境下对人员呼吸道提供防护的口罩^[3],按其功能可分为被动型生物防护口罩和主动抗菌型生物防护口罩。( 1)被动型生物防护口罩:是目前普遍使用的一类防护口罩,主要以物理过滤方式滤除空气中的物理颗粒物或有害病原菌^{[4, 5]},该类口罩的过滤材料通常具有较高的过滤效率,如聚丙烯熔喷非织造布材料、驻极体聚丙烯熔喷非织造布材料、熔喷超细纤维过滤材料和驻极熔喷超细纤维过滤材料等^{[4, 6, 7]}。对聚丙烯非织造布材料进行驻极体改性,可以提高过滤效率; 熔喷超细纤维过滤材料由于含有大量微小孔隙,大大增加了颗粒产生碰撞而将其滞留的概率^{[4, 5, 6]}。( 2) 主动抗菌型生物防护口罩: 是指在口罩材料中添加某种抗菌成分,赋予口罩主动抗菌功能^[8]。生物防护口罩对颗粒物的过滤效率可达到95%甚至99%,理论上认为其可以对人们提供有效的防护,但是吸附在口罩上的具有传染性的病原菌可能会再次扩散,对环境和人造成二次污染。Kennedy等^[9]以1µm 的聚苯乙烯微球模拟炭疽孢子,以2种N95口罩——M o ldex 2200 N95 和3M 8210为研究对象,观察处理污染有炭疽孢子的口罩时是否有孢子释放到环境中。结果表明,M o ldex 2200 N95吸附了2千万微球后,其处理时平均释放量为0.16%,而3M 8210 的平均释放量为0.29%。提示当口罩吸附有颗粒物时,附着其上的颗粒物有可能发生二次气溶胶化,对环境及人的健康有一定影响。为了预防附着在口罩上的病原微生物再次扩散造成的二次感染,人们开始研究具有主动杀菌功能的口罩材料,使口罩在过滤病原菌的同时起到主动杀菌的作用。

最近国内研发的几款抗病毒的口罩多是采用添加纳米银的方法制备的。如使用纳米抗菌纤维加工成无纺布制作口罩过滤材料,起到过滤和抗微生物的双重作用,对细菌真菌等微生物有强大的抑制杀灭作用^[10]; 中国台湾银嘉公司研制的溅镀纳米银无纺布,已通过华南农大对“H 5N1亚型禽流感病毒”抑制效果试验,效果较好,该公司已将其加工成抗病毒口罩^[11]; 中国科学院理化技术研究所、军事医学科学院微生物流行病研究所等单位采用含银纳米材料技术和纳米复合技术,研发了高效安全抗病毒口罩^[12]。

据报道,许多病毒包括流感病毒都与人类细胞膜表面的唾液酸残基末端相接合^[13]。F illig ent生物科技公司采用了该技术研发了防传染医用口罩 “B ioM ask”。其抗菌层——B ioFriend( TM ) 纺织物中的接合剂正是模拟了唾液酸与流感病毒的接合作用,通过模拟病原体附着的人类细胞的部位来捕获病原体,然后通过破坏其表面(病毒)和细胞壁(细菌) 来消灭它们^[14]。

通过一定的工艺将ws- 8810 抗菌卫生整理剂与材料结合作为抗菌布,作为口罩的抗菌功能层^[15]。将FFA- 3型抗菌功能织物与超细纤维无纺织物复合制得的新型抗菌滤病毒功能织物材料,该材料含有抗菌基团和丰富的正电荷,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎双球菌、肺炎克雷伯氏菌的抗菌效果显著^[16]。将含有对羟基苯甲酸脂类、富马酸二甲酯、甲壳质、鱼精蛋白、含有相应酸性剂的乳酸链球菌素的一种或几种抗微生物药剂通过胶粘剂附着在无纺布上获得抗菌材料^[17]。

( 1) 42CFR Pa rt 84^[18]: 该标准由美国职业安全与健康研究所( N IOSH ) 编制,由美国职业安全与健康管理局( OSHA)颁布。根据防护对象将口罩分为3个系列:N、R 和P 系列。N 系列只限在无油雾工作场所使用。R 和P系列可用于滤除包括油性液态微粒在内的任何颗粒。根据过滤效率将其分为3个等级:①N100、R100 和P100,过滤器的最小过滤效率为99.97%;②N99、R99 和P99,过滤器的最小过滤效率为99%;③N95、R95 和P95 的最小过滤效率为95%。( 2) ASTM F 2101- 07^[19]: 该标准用于测定口罩材料的细菌过滤效率,通过上游过滤前细菌气溶胶浓度与下游过滤后细菌气溶胶浓度来计算。该方法确定的最大细菌过滤效率为99.9%。( 3) EN 149: 2001 ^[20]: 该标准将口罩分为FFP1、FFP2、FFP3等3种等级,采用0.3µm 的悬浮颗粒,在95 L /m in的流量下测试口罩的过滤效率,其过滤效率分别达到80%、94% 和97%。其中FFP2 的规格接近N95 口罩。( 4) GB 19083- 2003^[21]: 该标准要求口罩过滤材料的颗粒过滤效率不小于95%,口罩的吸气阻力不得超过343.2 Pa ( 35mm H ₂O )。该过滤效率是用计数中值直径在0.075±0.020µm 的NaC l气溶胶,在流量( 85±2) L /m in的条件下测定的。( 5) GB 2626- 2006^[22]: 该标准将口罩分为2 类: KN (非油性) 类口罩和KP(油性) 类口罩,在流速为85 L /m in的条件下检测口罩的过滤效率,分为90%、95% 和99.97% 等3 个等级。该标准还对口罩佩带时的泄漏率作了规定,对KN95和KN100级别随弃式口罩的总泄漏率要求分别小于8% 和2%。

作为高级别医用防护用品,生物防护口罩可以防止病原菌进入人体呼吸道以保护人体不受感染,而评价口罩防护性能的指标主要是过滤效率、呼吸阻力和密合度。过滤效率表征口罩对微生物气溶胶等的防护性能,是口罩的关键性指标之一,过滤效率的高低直接影响着佩戴者的安全。而呼吸阻力通常与过滤效率成正比,纤维越细,过滤材料的比表面积越大,过滤效果越好,但呼吸阻力也会随之增大。除此以外,在使用过程中不断有颗粒物沉积在口罩表面,也会造成呼吸阻力的增加,使人感觉呼吸困难。所以在保证过滤效率的同时也要考虑口罩的呼吸阻力^[4]。

军事医学科学院微生物流行病学研究所研制的高效生物防护口罩FS9001型,经系统的实验室检测,结果表明,该口罩对N aC l气溶胶、金黄色葡萄球菌和噬菌体f2气溶胶的过滤效率达到> 99%; 通气阻力＜ 250 Pa,低于国家标准规定值,表明该口罩是一种防护性能优良的生物防护口罩^[23]。靳向煜等^[7]利用自己研制的新型熔喷超细纤维作为高效过滤层,研制了防SARS 口罩,并进行过滤效率测试,结果表明其过滤效率可达到99%,阻力为42~ 43 Pa。沈恒根^[24]研制出新型防SARS病毒的医用口罩,该口罩过滤效率达到96.3% ~99.7%,阻力为4 ~ 16 Pa,具有低阻和高效的特点。张建春等^[8]利用驻极熔喷超细纤维研制了防SARS口罩,其过滤效率为97.3%,阻力为218.7 Pa。刘蔼成等^[25]对美国N95和法国巴固医用防护口罩进行检测,其过滤效率分别为95% 和97%,均满足标准要求,研究表明,认证合格的N95口罩在室温条件下保存10 年,而防护水平不变^[26]。抗菌口罩除了要满足以上条件外,还需具备良好的抗菌和抗病毒效果。据检测,军事医学科学院研制的抗病毒口罩与病毒作用后,可即时杀灭或抑制半数致死剂量( TC ID₅₀ ) 为5.25个log 值的甲型流感病毒(H 1N1)和禽流感病毒( H 5N1) ^[12]; 而B iom ask口罩能够主动探测、锁定病原体,然后在接触之后的几分钟内将之快速杀死^[14]。

口罩防护效果的另一影响因素为防护口罩面部密合度,通常用泄漏率表示。密合度越高,则泄漏率越低。G rinshpun等对N95口罩进行测试,以区分实际呼吸时粒径为0.03~ 1µm 的颗粒通过面部密封泄漏和通过过滤材料进入口罩内部泄漏的程度,结果表明,通过面部密合处泄漏的颗粒数明显高于通过过滤材料穿透的颗粒数。随着颗粒粒径的增大,其通过面部密合处的泄露率也增加,当粒径为0.04、0.1 和1µm时,其面部密合处的泄露率分别是通过过滤材料处的7、10和20倍^[27]。因此,在口罩的研制过程中应使其与人体面部形态相吻合^[28]。为研制出复合中国人脸形特征的生物防护口罩,鹿建春等调查了我国14~ 36岁2000余人的脸形分布资料。将脸形测量数据进行四分位处理,以颧点距和形态下面长3 /4分位为最大型号的基本设计尺寸。共设计大、中、小3个型号,以适应更多的人群^[29]。为提高口罩的密合度,降低泄漏率,人们采取了一些措施,如在鼻梁部采用可调节的双层反向锯齿形密封结构^[29]; 采用可以延长至自身1000%的弹性体作为口罩的密封圈^[30]; 采用膨胀材料来做口罩的密封结构,其提高了口罩的防护性能,且使用方便^{[31, 32]}; 采用软的弹性包装,该弹性包装内装有凝胶物质,可以提高人员佩戴的适合度和佩戴的舒适性^[33]。另外,在佩戴一种新口罩前,应按照密合性和泄露率检验程序,选择适合于佩戴者脸型的口罩,以增加密合性、减少泄露^[28]。

美国标准42CFR 和欧洲标准EN149均采用TSI CertitestM ode ls 8130型自动过滤测试仪进行口罩过滤效率的测试。TSI 8130具有2 台颗粒物发生器,操作非常简单,测试效率可达99 999% ^{[18, 20]}。我国标准也参考使用该方法进行检测,另外我国科研人员还自主研发口罩过滤效率检测装置。第一台高效口罩钠焰法效率检测装置由清华大学研制成功,该装置适用于对各类高效口罩和呼吸器的检测,还适用于对一次性医用防护服等医疗和劳保用品的检测。其主要技术性能指标符合国家标准GB19083 - 2003和GB2626- 2006对检测设备的技术要求^[34]。防护口罩实际佩戴时,过滤对象为环境气溶胶,因此针对个体防护口罩实际使用工况的检测应在环境大气中,并佩戴在人头模型上进行。为此东华大学的研究人员研制了DHU -Ⅱ实况型口罩环境气溶胶过滤性能测试台。环境空气经过测试的口罩样品,再经人头模型鼻孔进入管道,通过流量计,由吸气泵抽吸排出。采用TSI 8520型DustTrak 气溶胶监测仪测试口罩前后环境气溶胶PM 10的颗粒物质量浓度^[35]。还有研究采用YW -4590油雾仪和GR MM 1.108 微环境精细尘粒监测仪来测定口罩及滤料的防护效率^{[25, 36]}。

虽然标准规定用物理粒子来检测防护口罩的过滤效率,但是实际应用时口罩却用来降低生物气溶胶如病毒和细菌的暴露和感染。因此有必要以微生物气溶胶来检测口罩的过滤效率。赵建军等^[37]根据标准要求建立了模拟指示生物气溶胶发生和采检的生物评价体系,选择金黄色葡萄球菌作为指示剂,在人工可控环境下发生生物气溶胶,进行口罩的微生物过滤效率评价。该平台包括生物气溶胶的发生、采样、培养、数据分析等主要过程,最后通过计算微生物气溶胶过滤效率来评价医用外科口罩的防护性能和安全性。口罩细菌过滤效率应＞ 95%。该测试台已于2006年通过了国家质量监督检验检疫总局的计量认证考核。用该平台检测了2006 年送检的13家的产品,有5家的产品符合标准中的要求,合格率为38%。

国外的研究人员也建立一套新的测试系统,其可以区分穿过口罩过滤材料的总物理颗粒物和活的生物气溶胶。将口罩佩戴在人体头模型上,发生M S2 噬菌体,在流量为85 L /m in的条件下同时检测物理颗粒物和活的微生物气溶胶穿过口罩的效率。结果表明,口罩对物理颗粒物和病毒气溶胶的过滤效率无明显差异^[38]。

另外,在口罩的佩戴过程中,人们说话、打喷嚏等也可能影响口罩的过滤效率。Lee SA 等研制了一种新型个人采样系统,其可以实时检测口罩对空气中颗粒和微生物的防护性能,并研究了人的行为动作对过滤效率的影响。研究结果表明,该采样系统可以有效的实时监测防护水平的变化。当采样探针放在口罩表面上时,采样流量受呼吸速率的影响最小。使用N95口罩时,泄露位置、呼吸方式和测试人员的活动都能影响到其防护水平。这可能是由于气体泄露、过滤材料、采样探针和呼吸方式等造成了口罩内空气动力学不同,从而造成了防护水平不同^[39]。

在目前形势下,生物恐怖威胁仍然存在,随着技术的发展,人工合成致病微生物已成为现实,另外传染病如SARS、甲型流感的爆发也给人们的生命健康及安全带来威胁,因此应投入更多的人力物力来加强生物防护口罩的研究。根据研究现状及存在的问题,生物防护口罩的研发应注重以下几个方面。( 1)降低过滤材料的阻力,从而降低口罩的呼吸阻力。随着材料技术的发展,非织造布由于加工制作简便、成本较低且过滤效率高,已成为人们公认的适合作为生物防护口罩的材料。目前使用的口罩均满足标准的要求,但是根据人员的实际使用来看,其阻力还是偏大,尤其是呼吸道疾病患者佩戴时,会增加患者的呼吸负担。因此,应寻找新技术降低熔喷非织造布的阻力或研究新的具有高效低阻特性的过滤材料。( 2)提高面部密合度,从而减少面部密合处的泄漏。由于目前过滤材料技术相对成熟,开发新的高效低阻材料难度较大,因此,建议重点考虑口罩的结构设计,提高口罩的面部密合度,降低泄漏率,从而提高口罩的整体防护性能。( 3)在不改变过滤材料性能的前提下,赋予过滤材料主动抗菌的功能。附着在口罩上的颗粒物能够再次扩散,对环境和人员造成污染,因此研制具有主动抗菌功能的生物防护口罩,使口罩在过滤病原菌的同时直接杀灭之。目前抗菌肽由于抗菌性较强、安全性高而普遍受到人们的关注^[40],将抗菌肽应用于抗菌材料的研究已成为新的研究方向,而材料表面改性技术的成熟也为人们研制抗菌口罩材料提供了技术保障。