聚丙烯纤维膜﹑尼龙曲孔膜和聚酯核孔膜滤除药液固体微粒的比较

杨建鑫, 何志波, 郭士伦

1. 北京伏尔特技术有限公司， 北京 100072；2. 中国原子能科学研究院，北京 102413

核孔膜是基于固体核径迹探测器(SSNTD)发展而出现的一种新型高科技材料, 它是用粒子加速器或核反应堆产生的重离子照射绝缘固体薄膜，经化学蚀刻后，在薄膜中生成具有穿透性微孔的材料，在科研、医学和工业中得到广泛应用[1～13].聚丙烯(PP)纤维膜和尼龙(Nylon)曲孔膜是用化学方法制成的具有复杂形状微孔的材料，是两种常用滤材.聚酯(PET)核孔膜是核孔膜的品种之一，化学稳定性和机械强度比较高，是目前广泛采用的输液过滤器膜材之一.一次性输液过滤器使用的目的之一是滤除药液中含有的和从输液器管路脱落的固体微粒，尤其是输液操作中输液针头与橡胶塞摩擦产生的橡胶碎末和击破安瓿瓶产生的玻璃碎屑，这些固体微粒一旦进入血管，将堵塞微血管，形成血栓，危害终身[14].成人的微血管直径为6 μm～8 μm[14，15]，这是一次性使用输液过滤器制作时选择参数的基本依据.由于这些过滤膜材的微观结构和滤除对象(固体微粒)处于微米(μm =10-6m)范围, 肉眼看不见, 只能借助微观测量仪器才能观察, 普通民众、生产过滤器人员和一般医疗人员很难正确选择哪种膜材更为适合.为了合理选择膜材和揭示固体微粒对人的危害, 有必要用专门仪器对各种膜材和各种微粒的特征以及它们的滤除效果作直观和有说服力的研究.

本工作对以上三种膜材的微观结构、注射针头与橡胶塞摩擦产生的橡胶碎末以及击破安瓿瓶产生的玻璃碎屑的结构进行了精细观察, 对这两种固体微粒穿过三种滤膜的运动规律进行了研究，对PP纤维膜与PET核孔膜串联组成的级联过滤器(PP+NTM，NTM=核孔膜)和Nylon曲孔膜与PET核孔膜串联组成的级联过滤器(Nylon+NTM)的滤除率和药液流速进行了研究，并与中国药典的要求作了对比，对使用各种膜材和选用医用过滤器提出了建议.

1 橡胶碎末与玻璃碎屑的收集和过滤

为了观察橡胶碎末和玻璃碎屑的产生和通过滤膜的规律，根据配伍禁忌[14,15]，选择了如下注射剂进行实验：(1)0.9 % 生理盐水(橡胶塞)，1瓶，500 mL.(2)3 % 葡萄糖注射液(橡胶塞)，2瓶，1 000 mL.(3)头孢唑啉钠(橡胶塞)，10瓶.(4)地塞米松磷酸钠(安瓿)，10支.(5)利巴韦林(安瓿)，10支.(6)维生素C(安瓿)，3支.按照操作规程穿刺橡胶塞，用专用砂轮切割安瓿瓶，所有操作符合医学要求.图1～图3 分别为输液瓶穿刺器针头、橡胶塞和安瓿瓶的照片.

图1 穿刺器针头照片Fig.1 Photograph ofpuncture needle图2 橡胶塞照片Fig.2 Photograph of rubber plugs图3 安瓿瓶照片Fig.3 Photograph of medical ampoule

为了揭示橡胶碎末和玻璃碎屑的结构特征，以及对人体的伤害，用前述药品，按照正常操作程序作了模拟输液过滤实验.把PP纤维膜和PET核孔膜串联在一起，组成PP膜与PET核孔膜级联过滤器(PP+NTM)，让药液先流过PP纤维膜，然后流过PET核孔膜；或把Nylon曲孔膜和PET核孔膜串联在一起，组成Nylon膜与PET核孔膜级联过滤器(Nylon+NTM)，让药液先流过Nylon膜，然后流过PET核孔膜.用级联排列的过滤器，既可以观察两种微粒穿过每种膜的特性，也可以观察级联过滤器的组合特性.两种级联过滤器的过滤实验单独完成.过滤时采用的压力为1 m 水柱产生的压力.

2 PP纤维膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的结构特征

用扫描电子显微镜(SEM, JEOL，Japan,JCM-6000 Plus)对PP纤维膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的微观结构进行了观察.图4、图5和图6分别为PP纤维膜、Nylon 曲孔膜和PET核孔膜在低放大倍数(400倍)扫描电子显微镜(SEM)下的照片，图7、图8和图9 分别为这三种膜材在高放大倍数(2 000倍)下的SEM照片.

由图4和图7可见，PP纤维膜由杂乱的纤维堆积、热压和粘结而成，膜体结构疏松，无理想光滑表面 ，微孔由纤维之间的间隙构成，无规则孔形，无统一孔径.纤维膜的孔径为标称孔径，是一系列缝隙宽度的平均值.标称孔径的不确定度(误差)很大，比标称孔径大得多的固体微粒有可能穿过纤维之间的较大缝隙穿过纤维膜，进入过滤后的药液，过滤效果差.

由图5和图8可见，Nylon曲孔膜由大小不一的原料颗粒热压和粘结而成，膜体结构较为疏松，无完整压制平面，微孔由颗粒间的缝隙构成，各处缝隙形状不一，大小相异，无规则孔形，无统一孔径.曲孔膜的孔径为标称孔径，是一系列缝隙宽度的平均值.标称孔径的不确定度(误差)也很大，比标称孔径大得多的固体微粒有可能穿过原料颗粒之间的缝隙，进入过滤后的药液，过滤效果不佳.

由图6和图9可见，PET核孔膜有坚实光滑的表面，微孔呈圆形，孔形规则，孔径均一(除个别重孔外)，标称孔径为微孔的真实直径.本研究采用的核孔膜微孔直径为5 μm，与中国国家标准的要求(≤ 5 μm)一致[16,17]，也小于人体微血管的直径6 μm～8 μm.很显然，作为过滤器滤材，核孔膜的微观结构是最优异的.

图4 PP纤维膜的电子显微镜(SEM)照片放大倍数:400 倍Fig.4 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of PP membrane with magnification ×400图5 Nylon曲孔膜的电子显微镜(SEM)照片放大倍数:400 倍Fig.5 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of nylon membrane with magnification ×400图6 PET核孔膜的电子显微镜(SEM)照片放大倍数:400 倍Fig.6 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of PET trackmembrane with magnification ×400

图7 PP纤维膜的电子显微镜(SEM)照片放大2 000 倍Fig. 7 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of PP membrane with magnification ×2 000图8 Nylon曲孔膜的电子显微镜(SEM)照片放大2 000 倍Fig.8 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of nylon membrane with magnification ×2 000图9 PET核孔膜的电子显微镜(SEM)照片放大2 000 倍Fig.9 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of PET membrane with magnification ×2 000

图4、图5和图6是相同放大倍数(400倍)下拍摄的电子显微镜(SEM)照片.比较这三张照片，很容易看出，三种膜材的表面形态、微孔形状和孔径有明显差别.同样，图7、图8和图9也是放大倍数相同(2 000倍)的照片，在高倍电子显微镜(SEM)下，三种膜材微孔的巨大差别一目了然，核孔膜是这三种滤材中最优越的.

3 橡胶碎末和玻璃碎屑的形状特征

配制的药液过滤后，把两个级联过滤器打开，把四片滤膜(PP膜，PET膜；Nylon膜，PET膜)分别取出，放入55℃烘箱烘干，在溅射室内在薄膜正面(即收集了橡胶碎末和玻璃碎屑的表面)溅射金层，金层厚度为10 nm.然后，把四片滤膜放入扫描电子显微镜(SEM)中，观察各片滤膜表面截留的微粒形状和过滤特征.图10和图11为橡胶碎末被PP纤维膜截留的电子显微镜(SEM)照片；图12为橡胶碎末被PET核孔膜截留的电子显微镜(SEM)照片，以上两种膜是组成(PP+NTM)级联过滤器的膜片.

由图10、图11和图12可以看出：穿刺针头与橡胶塞摩擦产生的橡胶碎末的特征是：表面圆润，边缘弯曲，交角圆钝，容易识别.级联过滤器(Nylon+NTM)截留的橡胶碎末的形状特征与级联过滤器(PP+NTM)截留的橡胶碎末的形状特征相同.

图13和图14分别为玻璃碎屑被PP纤维膜和Nylon曲孔膜截留的电子显微镜(SEM)照片，图15为玻璃碎屑穿过PP纤维膜后被PET核孔膜截留的电子显微镜(SEM)照片.

图10 PP纤维膜表面截留的药液中橡胶碎末的电子显微镜(SEM)照片(图中部)Fig.10 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of a rubber fragment intercepted by PP membrane surface from liquid medicine (See the central part of the micrograph) 图11 PP纤维膜体内截留的药液中橡胶碎末的电子显微镜(SEM)照片(图中部)Fig.11 Scanning electron microscopic (SEM)micrograph of a rubber fragment intercepted by PP membrane in its interior from liquid medicine (See the central part of the micrograph)图12 PET核孔膜截留的穿过PP膜后橡胶碎末的电子显微镜(SEM)照片(图中部)Fig.12 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of rubber fragments intercepted by PET membrane surface from liquid medicine(See the central part of the micrograph)

图13 PP纤维膜表面截留的药液中玻璃碎屑的电子显微镜(SEM)照片(图中部) 放大倍数:1 000倍Fig.13 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of a glass shard intercepted by PP membrane surface from liquid medicine (See the central part of the micrograph, magnification ×1 000)图14 Nylon曲孔膜体内截留的药液中玻璃碎屑的电子显微镜(SEM)照片(图中左部)放大倍数:2 000倍Fig.14 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of a glass shard intercepted by nylon membrane in its interior from liquid medicine (See the central left part of the micrograph, magnification×2 000)图15 PET核孔膜截留的穿过PP纤维膜后玻璃碎屑的电子显微镜(SEM)照片 放大倍数:1 500倍Fig.15 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of glass shard intercepted by PET track membrane surface behind PP membrane from liquid medicine (See the central part of the micrograph, magnification×1 500)

由图13、图14和图15可以看出：击破安瓿瓶产生的玻璃碎屑的结构特征是：表面平滑，边缘挺直，交角尖锐，容易识别；玻璃碎屑不但能堵塞微血管，而且，由于存在锐利的边缘和锋利的交角，能割伤微血管.

4 PP纤维膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的滤除机制

由橡胶碎末和玻璃碎屑在PP纤维膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜上的截留位置，可以推测这两种微粒被这三种薄膜的截留机制：

由图10可见，橡胶碎末可以被截留在PP膜表面，属于PP膜表面截留.图11中，橡胶碎末被PP膜内部纤维拦截，属于纤维膜体内截留.图12中，硕大的橡胶碎末被截留在PET核孔膜表面，属于核孔膜表面截留，这个碎末是穿过级联过滤器(PP+NTM)前部的PP纤维膜的缝隙后抵达PET核孔膜，并被核孔膜拦截下来的.它说明，线度很大的橡胶碎末(～39 μm)可以穿过PP纤维膜.这一线度远远大于人体微血管的直径6 μm～8 μm，这样大的橡胶碎末一旦进入人体血管，必然堵塞微血管.可见，单层PP纤维膜不能用作一次性输液过滤器，很多巨大橡胶碎末可以穿过PP膜，进入人体，造成危害.图12也说明：PET核孔膜能截留粒度大于核孔膜微孔直径的所有固体微粒，被截留在核孔膜表面的微粒的数目(N)、大小(D)、形状和化学成分可用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察和测量(借助安装在扫描电子显微镜(SEM)内的x射线分析仪分析化学成分).由此可见：核孔膜是滤除药液固体微粒最好的膜材.

图13和图14说明， PP纤维膜和Nylon曲孔膜，都有滤除药液中一部分玻璃碎屑的能力.

图15中， PET核孔膜截留了一个很大的玻璃碎屑(～68 μm)，这个碎屑是穿过了级联过滤器(PP+NTM)前部的PP纤维膜的缝隙后抵达PET核孔膜，并被核孔膜拦截下来的.它说明，线度很大(～68 μm)的玻璃碎屑，与橡胶碎末一样(图12)，也可以穿过PP纤维膜.可见，单层PP纤维膜不能用作一次性输液过滤器，巨大玻璃碎屑和橡胶碎末都可以穿过PP膜，进入人体，造成危害.

图16是橡胶碎末穿过 Nylon 曲孔膜后被核孔膜截留的电子显微镜(SEM)照片.

图16 PET核孔膜截留的穿过Nylon曲孔膜后的橡胶碎末的电子显微镜(SEM)照片,放大倍数:4 000倍Fig.16 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of a rubber fragment intercepted by PET track membrane surface behind nylon membrane from liquid medicine Magnification ×4 000图17 从Nylon曲孔膜中脱落的微粒被PET核孔膜截留的电子显微镜(SEM)照片 放大倍数:400倍Fig.17 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of grains of nylon raw material intercepted by PET track membrane surface.The grains were dropped out from the nylon membrane in front of the PET membrane Magnification ×400

由图16可见：线度过大的橡胶碎末，可以穿过Nylon膜.单层Nylon膜不能用作一次性输液过滤器，很多大体积橡胶碎末可以穿过Nylon膜，进入人体，造成危害.

图17中，核孔膜截留的微粒，既不是橡胶碎末，也不是玻璃碎屑，而是从Nylon曲孔膜脱落下来的粘结不牢的原料颗粒，或其他微粒.由此可见，Nylon膜不但不能有效地滤除固体微粒，还会产生和增加微粒.这些微粒直径很大(～ 25 μm～ 54 μm)，如果进入血管，会堵塞微血管，对人体造成危害.Nylon曲孔膜不能单独用作一次性输液过滤器，但它可以用作级联过滤器(Nylon+NTM)的前级过滤器(或称预过滤器).

5 核孔膜级联过滤器的滤除率和流速与中国药典的比较

由前面的研究可以看出，PP纤维膜或Nylon曲孔膜都不能单独用作一次性使用输液过滤器，但可以与PET核孔膜串联组成级联过滤器，用作一次性输液过滤器.中国药典对输液过滤器有明确要求：对药液中粒径 ≥ 5 μm的固体微粒，滤除率 ≥ 90 %；压力为1 m水柱高度时，药液流速 ≥ 500 mL/10 min[16,17].为了检查级联过滤器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)是否符合中国药典要求，用库尔特仪(Coulter counter)[18]测量了粒径 ≥ 5 μm固体微粒的滤除率，即单位体积药液中被滤除的微粒数(ΔN)与滤前总微粒数(N0) 之比(r=ΔN/N0)，r为滤除率.用过滤时间(t)和t时间内过滤出的药液体积(V)计算了药液流过两种级联过滤器的流速(v=V/t).图18 绘出了(PP+NTM)级联过滤器和(Nylon+NTM)级联过滤器的滤除率的测量结果.图中也给出中国药典对滤除率要求的数值.

由图18可见，PP膜与PET核孔膜级联过滤器(PP+NTM)和Nylon膜与PET 核孔膜级联过滤器(Nylon+NTM)的滤除率都达到且高于中国药典规定的标准，而且(Nylon+NTM)级联过滤器的滤除率高于(PP+NTM)级联过滤器的滤除率，这与Nylon膜的结构比PP膜的结构较为致密是一致的.

PP膜与PET核孔膜级联过滤器(PP+NTM)和Nylon膜与PET 核孔膜级联过滤器(Nylon+NTM)过滤药液流速的测量结果示于图19，图中也绘出了中国药典的标准.

由图19可见:两种级联过滤器的流速都符合且高于中国药典规定的标准.这表明，这两种级联过滤器(PP + NTM)和(Nylon + NTM)可以在医院使用，而且，级联过滤器(PP+NTM)的流速大于级联过滤器(Nylon+NTM)的流速，这与PP膜的结构比Nylon膜的结构更为松散是一致的.

6 结论

图18 级联核孔膜过滤器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)滤除率的测量结果与中国药典标准的比较Fig.18 Results of the removal efficiencies of the (PP+NTM) and (Nylon+NTM) cascade nuclear track filters for solid particles and their comparison with the standard of Chinese Pharmacopoeia图19 级联过滤器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)过滤药液流速的测量结果及其与中国药典标准的比较Fig.19 Results of the flow rates of the (PP+NTM) and (Nylon+NTM) cascade nuclear track filters for liquid medicine and their comparison with the standard of Chinese Pharmacopoeia

通过扫描电子显微镜(SEM)观察和仪器测量，可以得到如下结论：

(1)输液瓶橡皮塞与针头摩擦产生的橡皮碎末在电子显微镜(SEM)下容易辨认，其特征是：表面圆润，边缘弯曲，交角圆钝.安瓿瓶产生的玻璃碎屑的结构特征是：表面平滑，边缘挺直，交角尖锐锋利，不但能堵塞微血管，而且能割伤微血管.

(2)PP纤维膜和Nylon曲孔膜结构疏松，无光滑表面，孔形不规则，孔径大小不一，截留微粒的机制分为表面截留和体内截留，很大的固体微粒可以穿过PP膜或Nylon膜中较大缝隙，进入过滤后的药液，过滤效果差.单片PP膜，或单片Nylon膜，都不适于作一次性输液过滤器.

(3)PET核孔膜质地坚实，表面光滑、孔形规则、孔径均一，过滤机制为表面截留，能滤除所有大于孔径的固体微粒，例如，输液操作中输液针头与橡胶塞摩擦产生的橡胶碎末和击破安瓿瓶产生的玻璃碎屑.各种微粒被截留在核孔膜表面，便于研究微粒大小、数目和微粒的化学成分，适于制作高质量医学输液过滤器.

(4)本研究发现：Nylon曲孔膜体内粘结不牢固的原料颗粒或杂志微粒，受药液冲刷后，可能脱落下来，进入药液，造成药液额外污染.进一步去除nylon膜脱落颗粒的最好方法是在nylon膜后附加PET核孔膜，组成级联过滤器.

(5)由PP膜或Nylon膜与PET核孔膜串联组成的级联过滤器，除具有PET核孔膜原有的优点(滤除率高)外，流速比单片核孔膜高[12].这是由于，一部分橡胶碎末和玻璃碎屑或其他微粒被前级PP膜或Nylon膜滤除，减少了对核孔膜微孔堵塞，使流速比单片核孔膜增大.因此，级联核孔膜过滤器比单片核孔膜过滤器更为完美，可作为改进型核孔膜精密输液过滤器.

致谢

作者对俄罗斯杜布纳联合原子核研究所(JINR，Dubna, Russia)Dmitriev S N, Apel P, Galinsky E和 Nechaev A 提供核孔膜，对北京伏尔特技术有限公司丁力、朱楠和肖月帮助作药液过滤、滤除率测量、流速测定和电子显微镜视察表示感谢.