辐照灭菌对医用一次性防护服材料性能的影响

陈明，付钊，冯毅，高晋梅，张发勇，郭亚秋，魏晓翠，马宁(通信作者)， 李岱岳(通信作者)

1 河北省药品医疗器械检验研究院 (河北石家庄 050024)；2 河北科技大学生物科学与工程学院 (河北石家庄 050018)；3 河北省药品职业化检查员总队 (河北石家庄 050024)；4 河北省药品审评中心 (河北石家庄 050024)

人体接触到外部的细菌、病毒时容易引起感染[1]，尤其在医疗行业，大部分医疗器械和防护用品都与人体直接接触，如果防护不当，可能会造成大规模的病毒感染，从而对患者和医护工作者的生命安全造成影响。为解决这一问题，医疗防护用品在生产完成后都要经过灭菌处理，从而达到“无菌水平”。所谓无菌，是指医疗防护用品上无微生物存活的状态，但这是一种理想状态下的绝对情况，在实际生产过程中，用于确定无菌的具体量化要求而定义的无菌保证水平为不超过10-6[2]。其中，医用一次性防护服最常用的灭菌方式为环氧乙烷灭菌和辐照灭菌。

2019年12月，新型冠状病毒肺炎疫情在武汉暴发并蔓延至全国，疫情防控初期，医用一次性防护服一度出现严重短缺的状况。传统的环氧乙烷灭菌技术需要7～14 d的解析时间，无法满足防护服的需求量。针对此现象，国务院联防联控医疗物资保障组印发《医用一次性防护服辐照灭菌应急规范(临时)》，2020年2月12日，采用该标准的首批辐照灭菌医用一次性防护服完成灭菌工艺，开始为抗击疫情发挥作用。与环氧乙烷灭菌相比，辐照灭菌的解析时间仅需1 d，大大缩短了出厂时间，提高了医疗防护用品的供应保障效率。

辐照灭菌技术主要是利用电磁射线，通过加速电子照射物料杀死其中的微生物。在适宜的剂量下，物料的温度在辐照处理过程中升高的幅度很小；辐照灭菌技术的辐照剂量是比较均匀的，而且辐照强度也易于控制。常用的辐照灭菌技术包括60Co辐照和电子束辐照两种。

60Co辐照灭菌是利用辐射源60Co放出的射线辐射微生物，使其生理结构遭到破坏进而达到杀菌的目的[3]，其原理主要是辐照的能量大于分子键能，由钴源产生的γ射线或电子加速器产生的电子束，甚至X线，可作用于微生物，使其分子电离，化学键断裂，直接或间接破坏核糖核酸、酶，使微生物失去合成蛋白质的能力，进而使细胞死亡，从而起到灭菌的作用[4]。电子束辐照灭菌是利用高能电子加速器产生的高能电子束激发电子的直接作用和-H自由基、-OH自由基的生成，从而破坏微生物的蛋白质、核酸核糖、酶等结构，达到灭菌的效果[5-6]。与传统的环氧乙烷灭菌相比，辐照灭菌的优点主要包括灭菌时间较短、效率较高、灭菌后无化学残留、可以立即使用、灭菌彻底、无污染、操作简便、节约能源等[7-8]。在全球范围内，辐照灭菌技术早已在医疗用品的消毒灭菌过程中得到广泛应用。疫情暴发之前，我国并未使用辐照灭菌技术对医用一次性防护用品进行灭菌，主要原因为该技术成本较高，但在应对突发紧急状况时，辐照灭菌发挥了巨大的作用。需要注意的是，经辐照灭菌后的医用一次性防护服材料是否受损，仍需进一步进行研究。

本研究首先对A企业的医用一次性防护服灭菌前后的断裂强力进行了比较，从而确定了辐照灭菌技术对医用一次性防护服材料性能的影响情况；其次，参照GB 19082-2009[9]《医用一次性防护服技术要求》，对B企业经不同辐照剂量灭菌后的医用一次性防护服的液体阻隔性能(抗渗水性、透湿量、抗合成血液穿透性、表面抗湿性、断裂强力、断裂伸长率、过滤效率、抗静电性)和灭菌效果进行测定，从而确定辐照剂量对防护服性能的影响及更适合国标要求的辐照剂量。

1 材料与仪器

A企业提供的医用一次性防护服包括两批材料，均为部分采用电子束辐照灭菌，部分未灭菌；B企业提供的医用一次性防护服采用不同剂量电子束进行辐照灭菌。

所用仪器包括：静水压测试仪及其配件，SDLATLAS，M018；电子天平，梅特勒-托利多，BP210S；恒温恒湿箱，美墨尔特，ICH-110；数字压力表，康斯特，ConST211；织物表面抗湿性试验仪，山东纺织仪器所，LFY-214；万能拉力试验机，英斯特朗，3365；自动滤料仪，美国TSI，8130-1；滚筒摩擦机，山东纺织仪器所，LFY-403A；织物摩擦带电荷量测试仪，山东纺织仪器所，LFY-403。

2 方法

2.1 辐照灭菌前后断裂强力的变化情况

对A企业的两批医用一次性防护服经20 kGy的辐照灭菌前后的断裂强力分别进行同批次间比较，为减少因辐照不均产生的误差，每批进行5次平行试验。

2.2 辐照灭菌对物理性能的影响测试

对B企业的同批次医用一次性防护服分别施加4～25 kGy的辐照剂量，并进行下列测试，从而确定随着辐照剂量的变化医用一次性防护服物理性能的变化情况，得到最佳的辐照剂量范围。

2.2.1抗渗水性试验

抗渗水性试验参照GB/T 4744-1997 《纺织织物 抗渗水性测定 静水压试验》[10]中规定的静水压试验进行：在温度(20±2)℃、湿度(65%±4%)条件下调湿样品，擦净夹持装置表面的试验用水，夹持调湿后的试样，使试样正面与水接触；夹持试样，确保在测试开始前试验用水不会因受压而透过试样；以(6.0±0.3)kPa/min[即(60±3)cmH2O)]的上升速率对试样施加持续递增的水压，记录试样上第3处水珠出现时的静水压值；如果第3处水珠出现在夹持装置的边缘，且导致第3处水珠的静水压值低于同一样品其他试样的最低值，则剔除此数据，增补试样另行试验，直到获得正常试验结果为止。

2.2.2透湿量试验

透湿量试验参照GB/T 12704-1991《织物透湿量测定方法 透湿杯法》[11]中规定的吸湿法进行：向清洁、干燥的透湿杯内装入无水氯化钙，并使无水氯化钙成一平面，装填高度为距试样下表面位置3～4 mm；将试样测试面朝上放置在透湿杯上，装上垫圈和压环，旋上螺帽，再用乙烯胶粘带从侧面封住压环、垫圈和透湿杯，组成试验组合体；迅速将试验组合体水平放置在已达到规定试验条件的试验箱里，经过0.5 h平衡后取出，迅速盖上杯盖，放在20 ℃左右的硅胶干燥器中平衡30 min，按编号逐一称量得到吸湿前样重m1；除去杯盖，迅速将试验组合体放入试验箱内，经过1 h试验后取出，迅速盖上杯盖，放在20 ℃左右的硅胶干燥器中平衡30 min，按编号逐一称量得到吸湿后的样重m2。

2.2.3抗合成血液穿透性试验

在每个防护服样品上随机裁取75 mm×75 mm的试验样品，将试验品水平放置在试验台上，防护服材料正常外表面面向试验槽放入槽内；以垂直方向将穿透试验槽装入试验仪器中，排放阀向下，将穿透试验槽的螺钉慢慢拧至13.5 N·m，关闭排放阀，用注射器将50 ml的合成血液缓慢从上部注入穿透试验槽内，观察5 min，若未穿透，逐渐加压至1.75 kPa，并保持压力5 min。

2.2.4表面抗湿性试验

在温度(20±2)℃、湿度(65%±3%)条件下调湿样品24 h，从织物的不同部位至少取3块试样，每块试样尺寸至少为180 mm×180 mm，在(20±2)℃、(65%±3%)条件下调湿样品4 h，用夹持器夹紧试样，放在支座上，试验时试样正面朝上；将250 ml试验用水迅速而平稳地倒入漏斗，持续喷淋25～30 s，喷淋停止后，立即将夹有试样的夹持器拿开，使织物正面向下几乎成水平，然后对着一个固体硬物轻轻敲打一下夹持器，水平旋转夹持器180°后再轻轻敲打夹持器一下，敲打结束后观察试样正面湿润程度。

2.2.5断裂强力与断裂伸长率试验

断裂强力与断裂伸长率试验参照GB/T 3923.1-1997《纺织品 织物拉伸性能 第1部分:断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》[12]规定的样条法进行：在温度(20±2)℃、湿度(65%±4%)条件下调湿样品，从每一个试验室样品剪取两组试样，一组为径向或纵向试样，另一组为纬向或横向试样，每组试样至少应包括5块试样，每块试样的有效宽度应为50 mm，长度应能满足200 mm；对断裂伸长率小于或等于75%的织物，隔距长度为(200±1)mm；对断裂伸长率>75%的织物，隔距长度为(100±1)mm，根据织物的断裂伸长或伸长率，设定拉伸速度；在铁钳中心位置夹持试样，以保证拉力中心线通过铁钳的中点；开启试验仪，拉伸试样至断脱，记录断裂强力(单位：N)、断裂伸长率(单位：%)，如果试样在钳口处滑移不对称或滑移量大于2 mm时，舍弃试验结果。

2.2.6过滤效率试验

过滤效率是指防护服关键部位材料及接缝处对非油性颗粒的过滤效率，应使用在相对温度(25±5)℃、湿度(30%±10%)环境中的氯化钠气溶胶或类似的固体气溶胶进行试验；空气流量设为(15±2)L/min，气流通过的截面积为100 cm2。

2.2.7抗静电性试验

抗静电性试验参照GB/T 12703-1991《纺织品静电测试方法》[13]规定的纺织品静电测试方法进行：在温度(20±2)℃、湿度(35±5)%、风速0.1 m/s以下的环境中，将试样在模拟穿用状态下(扣上纽扣或拉链)放入摩擦装置，运转15 min；运转完毕后取出试样(需戴绝缘手套)投到法兰第筒，注意操作过程中试样应距离法兰第筒以外的物体300 mm以上；用法兰第筒测出试样的带电量；重复5次操作，每次操作后静置10 min，并用消电器对试样及转鼓内的标准布进行消电处理。

2.3 不同辐照剂量对灭菌效果的影响

按照HQB/GC J/S101-2020《快速检测生物指示物实验室方法》对A企业的同批次经4～25 kGy辐照处理的医用一次性防护服进行测定，从而确定随着辐照剂量的变化微生物指示物的变化情况，以确定最佳辐照剂量范围。

首先，在无菌条件下，无菌操作取出已灭菌的生物指示剂菌条2个，分别用无菌镊放入2支TSB培养基试管中，盖盖密封，另取未灭菌的生物指示剂菌条1个，同法操作，作为阳性对照；其次，将加入生物指示剂菌条的培养基试管放入33 ℃培养箱中培养1 d；最后，观察结果，如果加入已灭菌的菌条培养基状态未发生变化，表明结果为阴性，如果培养基浑浊、颜色变黄或未变色，表明结果为阳性，同时阳性对照的培养基浑浊、颜色变黄或未变色证明试验有效。

3 结果

3.1 辐照灭菌前后断裂强力的变化

由图1和图2的结果可知，A企业的两批产品在10次试验中，灭菌前后的断裂强力均>45 N，符合国家标准的要求，但是与灭菌前的断裂强力相比，大部分样品灭菌后都出现了断裂强力下降的现象。批次1样品灭菌前的断裂强力在63.0～72.0 N之间，灭菌后断裂强力的范围为53.4～63.8 N；批次2样品灭菌前的断裂强力在60.0～69.5 N之间，灭菌后断裂强力的范围为50.5～60.6 N。这一结果说明，经辐照灭菌后医用一次性防护服断裂强力降低，对防护服的质量产生了一定的影响，但下降范围在10 N左右，均在可接受的范围之内。

图1 批次1样品辐照灭菌前后的断裂强力

图2 批次2样品辐照灭菌前后的断裂强力

3.2 辐照灭菌剂量对防护服性能的影响

3.2.1抗渗水性

GB/T 4744-1997规定，静水压试验中织物关键部位所能承受的静水压应≥1.67 kPa。本研究结果显示，在4～25 kGy的辐照剂量范围内，医用一次性防护服的静水压值均远高于1.67 kPa，符合标准规定的静水压值，经辐照灭菌后防护的抗渗水性符合要求，因测试数据偏大，均超过标准要求的15倍，故辐照灭菌剂量对抗渗水性的影响可忽略不计，见表1。

3.2.2透湿量

GB/T 12704-1991规定，吸湿法试验中织物的透湿量应≥2 500 g/(m2·d)。本研究结果显示，在4～25 kGy的辐照剂量范围内，医用一次性防护服的透湿量在2 600～3 300 g/(m2·d)之间，均>2 500 g/(m2·d)，符合标准要求，且无明显变化趋势，辐照剂量对透湿量的影响较小，见表1。

3.2.3抗合成血液穿透性及表面抗湿性

GB 19082-2009规定，抗合成血液穿透性应不低于标准分级中的2级要求，即1.75 kPa，表面抗湿性应不低于防护服外侧沾水等级的3级要求。本研究结果显示，在4～25 kGy的辐照剂量范围内，医用一次性防护服的抗合成血液穿透性以及表面抗湿性均符合标准要求，见表1。

3.2.4断裂强力及断裂伸长率

GB/T3923.1-1997规定，样条法试验中织物关键部位的断裂强力应≥45 N，断裂伸长率应≥15%。本研究结果显示，医用一次性防护服用品的径向断裂强力在91.2～113.4 N之间，纬向断裂强力在65.3～91.7 N之间，均高于国家标准中要求的45 N。剂量为4～8kGy的样品径向断裂伸长率在123.6%～126.4%之间，纬向断裂伸长率在118.7～126.8%之间，剂量为8kGy以上的样品径向、纬向断裂伸长率均超出测量范围(128.0%)，见表1。

由图3可知，在辐照剂量为4～25 kGy的范围内，随着辐照剂量的增加，医用一次性防护服的径向及纬向断裂强力整体呈现下降趋势，但是下降幅度不大，试验过程中断裂强力出现波动可能是因为材料不均匀及辐照不均匀所致。因此，辐照剂量对医用一次性防护服的断裂强力产生了一定影响，从图中下降趋势可以看出，断裂强力整体大概下降10 N左右，但均未低于国家标准的最低要求45 N。

图3 辐照剂量对防护服断裂强力的影响

3.2.5过滤效率

GB 19082-2009规定，防护服关键部位材料及接缝处对非油性颗粒的过滤效率应>70%。本研究结果显示，关键部位的过滤效率均>99.3%，接缝处的过滤效率均>99.1%，因此，经辐照灭菌后，医用一次性防护服均达到了较好的过滤效率，且无明显变化，见表1。

3.2.6抗静电性

GB/T 12703-1991规定，纺织品静电测试中织物带电量应≤0.6。本研究结果显示，辐照剂量从4～18 kGy不断增加的过程中，样品的带电量出现了上升的趋势，但是在辐照剂量达到18 kGy之后，带电量不再继续上升，并且出现了下降的趋势，所以辐照剂量在4～25 kGy的范围内时，样品带电量呈现出来先上升后下降的趋势，辐照剂量的变化对医用一次性防护服的抗静电性产生了一定影响，但并未超出国家标准所要求的带电量，见表1。

表1 辐照灭菌对医用一次性防护服物理性能及灭菌效果的影响

3.2.7无菌

表1中快速检测微生物指示物的结果表明，在辐照剂量为4～8kGy时，检测结果呈阳性，说明8 kGy以下的辐照剂量不足以杀灭微生物，无法满足医用一次性防护服的灭菌要求，辐照剂量在12～25 kGy范围时，检测结果呈阴性，可以用于防护服的灭菌。

4 讨论

本研究结果表明，与灭菌前相比，辐照灭菌后A企业的医用一次性防护服的断裂强力下降了10 N左右。在4～25 kGy辐照剂量范围内，B企业的医用一次性防护服的物理性能中的各项指标均符合国家标准要求：抗渗水性及断裂伸长率测试结果均满足并远超标准要求，辐照剂量对其影响可忽略不计；抗合成血液穿透性及表面抗湿性为通过性测试，全部满足标准要求，辐照剂量对其影响可忽略不计；过滤效率普遍表现好，未因辐照剂量的增加而受影响；随着辐照剂量的增加，带电量出现上升趋势，抗静电性降低，断裂强力呈现下降的趋势，辐照剂量在12～25 kGy时，微生物指示物检测指标合格，灭菌效果较好。因此，在控制好剂量的情况下，辐照灭菌后的医用一次性防护服各项指标均可达到国家标准要求，但是其物理性能，尤其是断裂强度，会因辐照剂量增加明显下降，这主要是因为我国目前的防护服材料基本采用聚丙烯无纺布为主，其耐辐照性能较差，老化降解情况严重。

综上所述，相较于传统的环氧乙烷灭菌方式，辐照灭菌具有快速高效的优势，但是受材料、成本等条件制约，要将辐照技术转化为医用一次性防护服等医用产品的常态化灭菌方式还面临很多挑战。