输液器不同孔径止液膜的止液性能的研究

吴欢 梅享林 ＊ 田兴龙

1 湖北省医疗器械质量监督检验研究院 （湖北 武汉 430075）

2 成都市新津事丰医疗器械有限公司 （四川 成都 611430）

内容提要：目的：探究输液器中不同孔径止液膜的止液性能。方法：通过理论计算和泡点压法计算不同孔径止液膜的止液高度。结果：输液器孔径为2.0μm、3.0μm、5.0μm、8.0μm的止液膜止液高度均＞1.9m。结论：采用不同孔径止液膜的输液器在临床使用中均能起到止液作用。

传统的一次性使用输液器一般由静脉针、输液软管、药液过滤器、流速调节器、滴斗、瓶塞穿刺器、进气器件组成，患者在输液完成或者输液组交替时如未能及时处理，液面低于滴管下的一定高度容易出现回血现象甚至空气输入人体，影响患者身体健康，同时也会增加医护工作者的工作强度[1]。而普通止液输液器是依靠药液的浮力作用使浮标堵住输液器滴斗，但因输液药液不同，其成分、黏度、颗粒含量、密度均有所不同，导致浮标不能与输液器滴斗无缝隙完全配合，从而达不到自动止液的效果[2]。为此，市面上出现了一种既能过滤药液，也能自动止液的一次性使用输液器。

由于药物的特性以及输液生产工艺的局限，微粒是输液不可避免的“成分”，只是不同药液所含微粒数量和粒径大小不一。研究发现，药液中存在的微粒通过静脉输液进入人体内，随着血液循环，最终导致终末动脉堵塞，可能导致急性反应或潜在危险。因此，可根据药物特性采用不同孔径的止液膜，不仅起到药液过滤的作用，还能防止血液回流。

本文主要研究不同孔径的止液膜的止液性能，通过理论计算和泡点压测试法计算不同孔径止液膜的止液高度，探究其是否满足临床需求。

1.止液膜特性

本研究使用的止液膜是高分子材料膜，为聚醚砜材料，它是由浸没沉淀相转化法制孔成膜的。将聚醚砜刮涂在支撑体上，然后浸入含有非溶剂的凝固浴中，由于溶剂与溶剂的交换而导致沉淀最终得到的膜，其结构是由传质和相分离两者共同决定的，聚醚砜耐化学药品性能良好，可耐150～160°C的热水或蒸汽，无毒性，通过美国FDA认证。

止液膜是一种亲水微孔材料，通过不同工艺制备不同孔径的多孔材料膜。止液膜材料的孔与孔之间弯曲相通，在临床输液时，因药液要通过相互交错的网状通道，不溶性微粒就被多孔膜过滤，达到过滤效果；在药液快要输完时，输液液面下降到止液膜面，空气无法从膜进入到下段液柱，药液在弯曲的通道孔径中与亲水性的止液膜表面间产生了表面张力，在人体血管内静脉压、膜的表面作用力和药液柱的自身重力作用下达到平衡，从而使药液柱无法继续下降，达到自动止液效果。采用快速成像设备在10s内进行成像快速拍照，测试读取膜的亲水角度，见表1及图1。

表1.止液膜的亲水角度

图1.5ms时止液膜的接触角

从表1可以看出该膜的亲水性非常好，200ms后接触角为0°，5ms时的接触角度为36.8°。根据该膜的亲水性可以推算该膜的流通性能是非常好的。

2.试验样品来源

本次研究的产品由成都市新津事丰医疗器械有限公司生产，共涉及四批次产品，样品信息如下：①一次性使用精密过滤输液器，带针（自动止液型）：批号180911、规格：ZJY005（2）0.7×25TWLB、滤膜孔径：2μm；②一次性使用精密过滤输液器，带针（自动止液型）：批号：180911、规格：ZJY005（3）0.7×25TWLB、滤膜孔径：3μm；③一次性使用精密过滤输液器，带针（自动止液型）：批号：180911、规格：ZJY005（5）0.7×25TWLB、滤膜孔径：5μm；④一次性使用输液器，带针（自动止液型）：批号：180911、规格：ZY021 0.7×25TWLB、滤膜孔径：8μm。

3.止液高度理论计算

输液过程中，在药液快要输完时，输液液面下降到止液膜面，空气无法从膜进入到下段液柱，药液在弯曲的通道孔径中与亲水性的止液膜表面间产生了表面张力（F），在人体血管内静脉压（P2）、膜的表面作用力（F）、药液柱的自身重力（P1）和大气压的作用力（P3）达到平衡，从而使药液柱无法继续下降，达到自动止液效果。见图2。

图2.止液膜到输液针间药柱的力平衡图

止液膜止液效果主要是由止液膜孔径大小、孔隙率、膜厚度来决定的，本研究选择的止液膜厚度均匀一致，孔隙率为75%左右，止液膜孔径为2.0μm、3.0μm、5.0μm、8.0μm。

现以2μm孔径止液膜为例进行理论计算，这时的平衡式见公式（1）。

注：F1为药液柱的压力、F3是大气作用力、F2是人体静脉压、F止液膜表面张力。

药液柱压力见公式（2）。

人体静脉压见公式（3）。

注：R为输液导管的半径R=2mm。

止液膜表面张力见公式（4）。

注：r为止液膜的孔径的平均半径r=1μm；假如止液膜的孔径个数为N个，则：(P1+P3)πR2=2πrYcosαN+P2πR2。

本研究止液膜由供应商提供，该膜的开孔率为75%左右，即：

已知输液导管半径为R=2mm，止液膜平均孔径半径为r=1μm，则：N=3×106。

该止液膜的接触角α=35°左右，假设药液的表面张力和水一样，即，Y=72.6×0.001N/m。

1m水压柱产生的压强为9800Pa，查文献得人体的静脉压在0.49～1.18kPa，正常人一般为P2=0.98kPa=980Pa，经计算P1+P3=88.1kPa=88100Pa。

标准大气压P3=101.325kPa=101325Pa，则P1=-13.225kPa=-13225Pa。

P1为负值，说明药液柱不是通过上述4个力来达到平衡的，因此不考虑大气压。本研究认为药液柱在三个力的作用下达到平衡，见图3。

图3.止液膜到输液针间药柱的力平衡图

这时的平衡式见公式（5）。

注：F1为药液柱的压力、F2是人体静脉压、F止液膜表面张力。

药液柱压力见公式（6）。

人体静脉压见公式（7）。

注：R为输液导管的半径R=2mm。

止液膜表面张力公式（8）。

注：r为止液膜的孔径的平均半径r=1μm；假如止液膜的孔径个数为N个，则：P1πR2=2πrYcosαN+P2πR2。

本研究止液膜由供应商提供，该膜的开孔率为75%左右，即：

已知输液导管半径为R=2mm，止液膜平均孔径半径为r=1μm，则：N=3×106。

该止液膜的接触角α=35°左右，假设药液的表面张力和水一样，即，Y=72.6×0.001N/m。

1m水压柱产生的压强为9800Pa，查文献得人体的静脉压在0.49～1.18kPa，正常人一般为P2=0.98kPa=980Pa。

注：h为止液膜到针头之间的高度，即止液高度。

经理论计算本孔径为2μm止液膜的止液高度为h=8.9m。

利用上述计算方法计算得出过滤孔径为3μm的止液膜止液高度为6.02m，孔径为5μm的止液膜止液高度为3.61m，孔径为8μm的止液膜止液高度为2.26m。

4.泡点压法计算止液高度

为进一步验证不同孔径止液膜的止液功能，用泡点压法测试后计算止液膜止液高度。

将止液膜用浸润性能较好的浸润液充分润湿，根据止液膜材质不同，浸润液可采用如正己烷、水、乙醇等不同表面张力的液体，在浸润液表面张力的作用下，浸润液被束缚在膜的孔隙内；给膜的一侧通入氮气，并通过调节流量逐渐增大氮气的压强，当某刻气体压强大于孔隙内被束缚的液体表面张力所产生的压强时，被束缚在孔径中的浸润液将被气体推出，该孔径被打开，气体可自由通过；止液膜的孔径越小，浸润液表面张力所产生的压强也就越高，那么将浸润液推出所需的气体的压强也就要越高；同样可知，推出孔径最大的空隙内的浸润液所需压强最小，那么孔径最大的浸润液将被最先推出，孔径打开后使气体自由穿过，然后随着气体压力的逐渐增大，止液膜孔隙中束缚的浸润液将依照孔径由大到小依次被推出，使气体自由穿过，直至所有孔中浸润液被推出，孔被全部打开，达到与干膜相同的透过率。在泡点压测试过程中，最先被打开的孔即最大孔径，被打通时所对应的气体压力即为泡点压力，该压力所对应的孔径，即最大孔径为泡点孔径；在泡点压测试过程中，传感器实时记录压力值和流量值，得到压力-流量关系曲线，见图4，其中压力可反映出止液膜孔径的大小，流量可反映某种孔径的孔的多少和止液膜上的孔被打开的情况；在浸润液全部被推出后，可测试出干膜的压力-流量关系曲线，根据相应的公式计算得到止液膜的泡点压力、泡点孔径、最小孔径、平均孔径等相关数据。

测试曲线见图4，用该方法分别测出2μm、3μm、5μm、8μm止液膜泡点压，即止液膜孔最先被打通时所对应的气体压力，流量传感器检测到的第一个有效流量信号时对应的压力。

图4.泡点压法测试曲线图

试验型号2μm、3μm、5μm、8μm的药液过滤器（膜材聚醚砜）的药液膜被浸润液浸润后，承受最小压力所产生气泡的临界数值，即药液膜的泡点压力值。泡点压力即膜孔最先被打通时所对应的气体压力，为浸润液在最大孔径中的表面张力，液体的表面张力F等于止液液柱产生的压力。

根据：P=ρgh算出h=P/ρg，h就是该膜的止液高度。2μm、3μm、5μm、8μm过滤膜泡点压测试结果见表2。

表2 泡点压力测试和止液高度计算

5.结果

5.1 理论结果

通过理论计算孔径为2μm止液膜的止液高度为h=8.9m，孔径为3μm的止液膜止液高度为6.02m，孔径为5μm的止液膜止液高度为3.61m，孔径为8μm的止液膜止液高度为2.26m，以上止液高度远远大于设计的止液高度1.9m。

因此从理论上分析，完全可以实现止液，符合临床使用＞1.9m的设计要求。

5.2 对2μm、3μm、5μm、8μm止液膜泡点压测试结果

2μm泡点压力在0.052～0.065MPa，平均值为0.058MPa，相当于约5.89m高度的水柱压力，即证明其能够实现5.89m液柱的止液高度。

3μm泡点压力在0.047～0.052MPa，平均值为0.049MPa，相当于约4.99m高度的水柱压力，即证明其能够实现4.99m液柱的止液高度。

5μm泡点压力在0.035～0.039MPa，平均值为0.0374MPa，相当于约3.81m高度的水柱压力，即证明其能够实现3.81m液柱的止液高度。

8μm泡点压力在0.020～0.025MPa，平均值为0.022MPa，相当于约2.28m高度的水柱压力，即证明其能够实现2.28m液柱的止液高度。

用测试泡点压力的方法计算止液膜的止液高度均＞2.28m，符合临床使用＞1.9m的设计要求。

6.小结

自动止液输液器的出现逐渐取代了普通输液器，在进行临床输液过程中，当药液快输完时，可以自动止液，能防止空气进入患者的静脉，从而降低感染发生率[2]。自动止液输液器的止液基于气压原理，其不受药液成分、纯净度等的影响，在人体血管内静脉压、膜的表面作用力和药液柱的自身重力作用下达到平衡，从而使药液柱无法继续下降，达到自动止液效果。

采用理论计算和泡点压法测试计算输液器不同孔径的止液膜的止液高度，对止液膜的止液性能进行计算评估，市面上常见的孔径为2μm、3μm、5μm、8μm的止液输液器均能自动止液，满足临床使用。后续将根据药液成分不同、输液针外径不同、环境温湿度不同等进一步研究其对止液膜止液高度的影响，并研究在满足止液的条件下其过滤性能是否满足条件。