医用防护材料的发展与现状

医用防护材料的发展与现状

随着工业的发展，污染也越来越严重，尤其是由细颗粒引起的灰雨，这对人类健康产生了重大影响。吸入人体后，pm.5进入气管，干扰肺部气体交换，包括哮喘、支气管炎和心脏病。据报道，这世界上有720万人死亡。同时,通过各类病原体引发的SARS、禽流感等传染疾病的传播速度非常快,一旦发病疫情将很难控制。面对这些污染及危害,人们的防护意识大大提高,医用防护材料的使用也得到了进一步重视。可以说,医用防护材料的发展是随着人们的防护需求而不断提高的,如医用防护服的使用已经有100多年的历史了,最早使用的防护服是为了防止微生物被带入无菌手术室,使病人和医护人员免受感染。但是随着SARS、禽流感等新型病毒的出现和艾滋病毒的肆虐,医护人员的防护已成了当前迫切需要解决的公共卫生问题,因此对医用防护材料的要求越来越高。1防微商品在器械等方面的应用根据医疗行业分类,我国的医用防护材料可分为手术病人及手术台覆盖用感染控制产品、医生穿戴用于感染控制的产品、器械用感染控制产品、生物防护用品等几大类。其中手术病人及手术台覆盖用感染控制产品要求无菌供应,与手术室的净化系统联合,覆盖在病人身体或手术台上,使手术区域或手术器械台上方形成无菌区域,阻止产品下方有菌区域的细菌、皮屑等向手术创面或手术器械传播,对微生物、皮屑、体液等起阻隔和控制作用。医生穿戴用于感染控制的产品也与手术室的净化系统联合,穿在医务人员身上,使胸前和袖口的手术区域形成无菌区域,阻止内部有菌区域的细菌、皮屑、头屑、汗液等向手术创面传播。器械用感染控制产品则是套在用于自然腔道内检查的重复性使用器械上的一次性隔离用品,可以防止通过器械造成病人间的交叉感染。生物防护用品是供医护人员、医院垃圾清理人员、器械消毒清洗人员穿戴的职业防护用品,起生物防护作用,阻止来自患者的病毒向医疗机构和医疗从业人员传播。为了保障医护人员和患者的安全,免受疾病和交叉感染的痛苦,医用防护材料除了基本的规格和安全性能要求外,还增加了舒适性要求。目前国际上虽然没有统一的标准,但是各国都制定了自己相应的标准,主要集中在防护性、舒适性、物理机械性能等3个方面。对于防护材料,其首要满足的性能要求是防护性能,也就是说当人体暴露在危险环境中时,材料要具有最基本的防护功能,表现在对微生物、病毒、液体及固体颗粒等的阻隔性能。在使用过程中,医用防护材料应该具备阻隔病菌的性能,同时应该能够防止水、血液和酒精的渗透,从而避免交叉感染。在材料具备防护性能的基础上,还要求材料必须有舒适性,也就是防护材料在使用的过程中必须使患者或医护人员感到舒适,这种舒适性可以通过材料的克重、厚度、透气透湿性、悬垂性、贴肤性等性能来表现。其中最为重要的是材料的透气透湿性能,因为湿热如果不能及时排除,医护人员和患者长时间穿戴防护材料会感到烦躁,从而影响身体健康和工作效率。但是透气透湿性能往往与防护性能是对立的,因此应在材料达到防护性能的基础上尽可能使材料透气透湿。虽然目前的医用防护材料大部分为一次性产品,但是对防护材料的物理机械性能也有一定的要求,必须保证医护人员和患者在穿着过程中材料本身及缝合处不会开裂,在被硬物或尖锐物质的碰触下不会被刺破,从而避免为病菌的传播提供通道,增加感染的机会。2非织造防护材料的发展历程由于污染及危害大部分是通过空气或液体传播的,传统的纺织防护材料由纱线织造而成,相对来说纱线较粗,导致产品的阻隔性能不好,严重影响了其防护性能的发挥。其次,传统的医用防护材料一般是棉织物经过后整理而成的,其纺织加工工艺复杂,流程及周期比较长,用于医疗防护材料成本较高。而且传统的纺织防护材料经过高温灭菌消毒之后重复使用,处理费用相对较高;在使用过程中需要反复洗涤,棉织物布面脱落的绒毛会成为细菌粒子的传播载体,使伤口进一步感染。此外,随着生活水平的提高,人们对这种重复使用的产品心理上会产生一定的抵触作用,对高温灭菌消毒的效果存在疑惑,因此传统的纺织防护材料逐渐被一次性的非织造防护材料所替代。非织造医用防护材料是20世纪90年代发展起来的,当时欧美一些发达国家利用非织造先进技术,开发出了一种成本低廉、外观及手感接近传统纺织品的水刺非织造布,它可以通过“三抗”(抗酒精、抗血、抗油)、抗静电、抗菌等处理及γ射线消毒,是替代传统纺织品的优异材料。但是这种水刺非织造布的抗静水压相对较低,对病毒粒子阻隔效率也比较差,只能替代传统的纺织品用于普通的手术服、手术洞巾等材料的制备,不是理想的防护材料。之后有人研究了纺粘法非织造材料,发现其生产工艺流程短,生产效率高,成本非常低。同时也可经过“三抗”和抗静电、抗菌等处理,用于医用防护材料可以大大减少交叉感染率,可替代传统的纺织防护材料制成抗菌、抗静电防护服等。因此,在之后的相当长时间内,纺粘防护材料在国内外得到了大量推广。但是,传统的纺粘非织造材料抗静水压也不高,对病毒粒子的阻隔效率也比较差,因此只能作为无菌外科手术服、消毒包布等普通防护用品。为了提高静水压,有人开始开发熔喷法非织造布作为医用防护材料。由于其纤维直径只有几个微米,产品的耐静水压得到了较大提高。同时发现,熔喷法非织造材料对病毒、PM2.5的阻隔效果是其他非织造材料所无法比拟的。但是由于熔喷法非织造材料在生产过程中需要用热风对喷丝孔流出的熔体细流进行喷吹牵伸,接收距离非常短,纤维中的高分子链段来不及取向和结晶,所制备的产品强度非常低,大大限制了其应用。在此基础上,有人考虑到纺粘和熔喷技术在原理上非常接近,生产设备也相似,于是将两者结合起来开发了SMS复合非织造材料,发现这种材料利用了能将两者取长补短、优势互补,同时产品又具有非常好的透气透湿性能,是一种非常理想的医用防护材料,可用于制作医用隔离服、防护服等高档医疗防护用品。在此期间,随着闪蒸非织造技术的发展,有人发现闪蒸法非织造材料纤维非常细,产品经过热轧后强度非常高,对病毒和微小颗粒的阻隔效果相对也比较好。在非典期间,SMS材料供不应求,闪蒸法非织造材料也成为了另一种比较热门的隔离防护材料。3医疗防护材料常用加工方法综上所述,经历了非织造技术的发展及改进,对于能满足医疗防护材料要求的非织造医疗防护材料,其加工方法目前已经相对比较成熟,根据其制备技术的不同,目前主要有纺粘、熔喷、SMS复合技术、水刺及闪蒸等制备技术。随着人们对防护材料的要求越来越严格,这些非织造防护材料的制备也在向着多功能、高性能和差别化等方向发展。3.1细旦化纺粘水刺生产线的研发我国从20世纪80年代末、90年代初引进国外的纺粘技术,现在已跃居世界第一生产大国,纺粘非织造布占国内非织造材料总产量的比例达到50%。纺粘法非织造材料由聚合物切片原料直接熔融纺丝制备而成,在生产过程中不添加任何化学粘合剂和其他物质,所选用的聚合物材料本身对人体无害,所以在医疗卫生领域的应用越来越广,这也对纺粘技术提出了更高的要求。如前所述,纺粘法非织造材料作为防护材料其强度和舒适性能满足要求,但是在阻隔性能上相对弱一些。针对这个问题,世界各国都在借鉴熔喷法的超细纤维技术,采取一定的措施使纺粘法非织造纤维既具有一定的强度,又能保证形成超细纤维,因此,细旦化纺粘技术已经成为纺粘技术的一大研究热点。应运而生的是双组分纺粘水刺技术,这种技术是德国的Freudenberg(科德宝)公司首先发明的,它利用中空桔瓣型纺丝组件,将熔体细流从喷丝孔挤出之后,经冷却吹风、气流牵伸形成长丝铺置在成网帘上,再利用高压水刺技术进行开纤及固网,开纤率能达到70%以上。国内天津工业大学工程中心有一条幅宽30cm的小型试验线,江西吉安三江化纤有一条正式生产线,廊坊新元公司的生产线因故已经停产。这类产品在普通圆形纤维的基础上进行开纤,目前常用16瓣和32瓣的喷丝孔,因此开纤后纤维直径非常细,且截面为契形而非圆形(图1),经水刺开纤后产品外观和柔软度与纺织品非常相似,其阻隔性能相对比普通的纺粘或水刺非织造材料好,因此可用于医疗防护材料。土耳其非织造布生产商Mogul最近就推出了一款可用于手术衣的这种材料,其开纤后的纤维比发丝细100倍,能阻隔微生物、具有抗血液和酒精的特性,还具有良好的吸湿透气性、隔热性,这种非织造材料的微孔结构和防护性能使其成为了医用防护服的理想材料。另外,原料方面的研究也是纺粘医用防护材料的热点。目前,为了解决废弃物处理过程中可能遇到再感染的危险,其中一大研究热点是采用可生物降解聚合物为原料,如聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)等,这些材料具有非常好的微生物降解性能,废弃物丢弃之后通过堆肥掩埋而自然分解,完全分解为二氧化碳和水,对环境也没有任何污染。为了解决穿着舒适性问题,另一发展热点是采用弹性聚合物为原料,如美国ExxonMobil(埃克森美孚)公司的弹性聚丙烯(PP)、科腾公司的弹性苯乙烯嵌段共聚物(SBC)等,这些材料具备很高的弹性,使穿着者能感到很好的贴合性和舒适性,保持心情愉快,有助于提高医护人员的工作效率和患者的康复过程。3.2熔喷纤维细、压缩回弹性差熔喷法非织造技术的发展比纺粘法稍晚,虽然原理上跟纺粘法相似,但是由于利用热空气喷吹,没有很长的牵伸甬道,所以熔喷法非织造技术工艺流程更短,被誉为是流程最短的一步法聚合物直接成网法。熔喷法最大的特点是纤维非常细,直径只有几个微米,经自身粘合之后结构蓬松,孔隙率高,平均孔径小,具有非常好的阻隔性能。因此,用于医用防护材料其阻隔性能优于纺粘和水刺非织造材料。但是,由于制备过程中没有较长的冷却牵伸区域,而是靠室温进行冷却,因此产品的强度和耐磨性不高。有人在此基础上进行了改进,借鉴纺粘技术,在保证纤维细度不变的情况下,对经过热空气喷吹的熔体细流进行短距离的冷却吹风,然后通过热粘合固网,发现产品的强度有所提高,可以应用于对强度要求不太高的场合。考虑到熔喷纤维细、压缩回弹性差的问题,对有些使用过程中要求材料具有一定厚度的场合,美国3M公司率先开发了插层熔喷技术(图2),即在传统熔喷生产的过程中,在熔喷纤维流中喷吹入粗旦高卷曲的中空弹性短纤维,在同样的克重下,产品的压缩回弹性大大提高,且结构变得更为蓬松,透气透湿性能也有所提高;此外,粒子在材料中通过的路程曲折变长,从而增加了拦截作用,使得对颗粒的阻隔效果大大提高。另一不改变熔喷非织造材料透气透湿性能,而使其阻隔微小颗粒的性能大大提高的途径是驻极方法。将熔喷布固网成形后通过一高压电晕放电电场,就能给PP熔喷非织造材料进行驻极,经过驻极的熔喷法非织造材料可以通过静电吸附机理捕捉更多与其电荷相反的颗粒,从而大大提高其过滤性能(图3)。如果对PP切片原料进行电气石共混改性,增加聚合物原料的可驻极性,则产品的驻极效果会更好,对PM2.5的阻隔效果能达到95%以上。3.3sms复合防护材料介于上述纺粘非织造材料阻隔效果不好、熔喷非织造材料强度不高的特点,有人利用纺粘布的强力和耐磨性将其作为表层,利用熔喷布的阻隔性能将其作为芯层制备了SMS复合非织造材料。考虑到生产投资及成本的问题,目前SMS复合技术可以分为在线复合、离线复合和一步半法复合三大类。其中在线复合是将纺粘和熔喷生产线组合在一起(图4),投资最高,但是制备的产品性能最好,可以制成很薄的产品,熔喷材料的比例可调,材料的透气透湿性能和阻隔性能都非常好,是非常理想的医用防护材料。离线复合是将所制备熔喷布和纺粘布再进行二步复合,单独的两种产品不能做得太薄,而且都需要经过固网,复合之后产品也不能做得太薄,虽然阻隔性能非常好,但是透气透湿性能较差,可以应用于对透气透湿性能要求不高但是对阻隔性能要求高的防护材料。一步半法改善了离线复合透气透湿性能差的问题,但是成本比在线复合低,生产的产品性能较好,可以用于医用防护材料。目前的SMS复合防护材料大部分是采用PP为原料,这种材料对各种放射性物质的防护性能较差,因此,天津工业大学刘星等人与海军某部门合作,在SMS材料上利用硫酸钡进行涂层,该产品能防止放射性物质的穿透,因此可用于医护人员免受不必要的放射性物质干扰,引发病变,起到了更好的隔离防护作用(图5)。涂层材料还可以做成缓释微胶囊形状进行涂层,在受到外力的作用时,微胶囊破裂,防护性能增强。当然,切片聚合物厂家也在不断开发新的聚合物原料,目前可用于纺粘技术的可降解聚合物切片和弹性聚合物切片都已相应开发出适合于熔喷工艺的产品,用于制备SMS防护材料,为SMS医疗防护材料的服用舒适性和废弃物处理提供了便利条件。3.4水刺非织造材料成空穴结构的应用对于短纤维经过梳理成网再水刺固网的非织造材料,虽然在柔软贴肤、吸湿透气等服用性能上占有很大的优势,但由于阻隔性能较差,只能做一般的医用材料,防护性能不是很好。英国利兹大学早在2009年就开发出了一类功能化水刺非织造材料,这种材料在水刺的过程中利用特殊的装置使水刺非织造材料形成空穴结构,在空穴结构中可以添加缓释消毒剂胶囊(图6)。日本有人做过研究,病菌的传播方式有75%左右是通过接触传染的,尤其是在医院这种病患聚集的场所。而这种带有缓释消毒剂微胶囊的功能水刺非织造材料就可以做成交叉感染防护材料,放置在医院与人体接触的门把手、扶手等地方,当人手推门或关门的时候,带病患者会把病菌通过手传递到接触把手上,这时微胶囊在人手压力的作用下就会释放消毒剂,有效杀死病菌,其他患者或健康人群再接触把手就不会被感染。这类防交叉感染非织造防护材料已经在英国的一些医院应用,效果非常好。当然,鉴于目前纺粘技术和水刺技术的两大结合,以前短纤维水刺不能实现的一些功能,通过纺粘的差别化纺丝技术也逐渐在