一次性醫用防護服研究進展

徐瑞東，田明偉,b*

(青島大學a.紡織服裝學院; b.省部共建生物多糖纖維成形及生態紡織國家重點實驗室，山東 青島 266071)

近些年，全球各地不時爆發烈性傳染病,如埃博拉病毒、SARS等，造成了大量人員傷亡,而其中醫護人員傷亡數目更加觸目驚心。2003年我國爆發SARS疫情，根據中國衛生與健康委員會統計,截至2003年4月24日全國感染人數2422例，其中醫護人員541例[1]。2019年底我國爆發新型冠狀病毒肺炎疫情，根據中國衛生與健康委員會統計，截至2020年2月24日全國感染人數為77 658例，其中醫護人員3000多例[2]。通過對病毒傳染途徑的深入研究，發現大多數傳染病性疾病都可以通過患者體液(汗液、血液、分泌物、排泄物)進行傳播[3]。因此，醫用防護服對保證醫護人員的生命安全有著重要意義。

我國自SARS疫情后逐步加大了醫用防護服的生產和研發力度，“十一五”期間生物醫藥衛生紡織品(以下簡稱為醫衛紡織品)行業就被列入發展名單，“十二五”期間醫衛紡織品被列為全國重點發展的產業項目并給予政策支持。2003年到2010年，我國醫衛紡織品每年的生產總量增幅超過20%，出口增速超過29%[4]。2010年醫衛紡織品的產量達到70萬噸,2014年達到118.8萬噸，年均增長約14%。“十三五”以來依舊保持著13.6%的增速，尤其在“一帶一路”背景下會繼續保持高速增長[5]。與醫衛紡織品高速發展一致，我國非織造布的產量也逐年提升。

醫用防護服是指醫護人員在特定區域、從事特定工作時所穿著的防護設備，其作用是隔離病毒、有害顆粒以及酸堿溶液等，從而有效保證醫護人員的生命安全。通過研究發現非織造布生產的一次性防護服的舒適性與傳統棉質防護服基本一致，但在隔離病菌、阻擋血液、抗酒精、抗油等性能上具有顯著優勢。并且一次性醫用防護服生產工藝相對簡單、性能保持性好，無需洗滌、消毒、儲存工序,極大減少了診治過程中的交叉、重復感染，也避免了因洗滌而造成防護性能下降[6]。因此，目前世界上使用的基本都是一次性非織造醫用防護服。

我國醫用防護服雖然起步較晚，卻呈現出快速發展趨勢。高校和企業同步進行產品研發，防護性能從單一到復合方向發展。如東華大學的周翔等[7]發明了一種新型醫用防護面料，不僅可以拒水還能有效隔離血液、體液等液體，利用該面料制成的防護服能有效隔離SARS病毒，從而保證醫護人員的健康。合肥普爾德醫療用品有限公司開發出一種多層復合非織造材料，解決了現有單層無紡布制成的產品隔離病毒、有害物質效果差的問題[8]。與此同時，我國醫用紡織品的行業標準也在不斷細化，目前醫用防護服的相關標準共21項,其中國家標準13項、醫衛行業標準8項，包含測試方法標準8項，選用標準3項。

本文綜述了近幾年我國醫用防護服的發展現狀，對醫用防護服的阻隔性、抗菌性、抗靜電性、標準參數等進行了重點闡述，并結合近年來智能可穿戴技術的發展對我國醫用防護服的未來發展方向進行了展望。

1 一次性醫用防護服的性能要求

醫用防護服需要具備多種性能：其一必須具備優異的阻隔性和抗菌性；其二要具備一定的抗靜電性，避免因靜電引燃易燃液體如酒精而造成安全隱患；其三要具備一定的力學性能如斷裂強度和穿刺強度等，保證防護服能正常發揮防護作用。目前廣泛使用的醫用防護服材料為聚丙烯紡粘-熔噴-紡粘(SMS)非織造布。紡粘非織造布是將熔融高聚物形成的長絲，鋪設成網后經過粘合而制成，因此其強力高、各向差異性小。熔噴非織造布是由熔噴形成超細纖維從而制成的非織造布，因此其纖維間隙小，具有良好的液體以及顆粒物阻隔性，并且還可通過靜電駐極工藝，進一步加強其顆粒物阻隔性。

普通的SMS非織造布雖然具備良好的力學性能和阻隔性，但不能完全阻隔酒精、血液且不具備抗靜電性和抗菌性，因此需要進一步處理后才能使其達到醫用防護服的性能要求，目前主要采用的是后整理工藝，其分類如下：

(1)利用各類整理劑對非織造布表面進行處理，如利用含氟基團的拒液整理劑整理基布提升其液體阻隔性，處理后接觸角可達130°左右[9]；選用烷基磺酸鹽等陰離子型抗靜電劑和季銨化合物等陽離子型抗靜電劑整理基布，提升其抗靜電性，經過整理后能明顯降低基布的帶電量；選用有機、無機以及復合型抗菌劑整理基布，提升其抗菌性，經過處理后其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抑制率均在90%以上。

(2)對非織造布進行改性處理，如化學接枝工藝，將帶有特殊性能如疏水、抗靜電的基團接枝在高聚物上，以此來實現對非織造布的功能化整理。將疏水性的基團如酯基接枝在聚丙烯大分子上，以此制備拒液聚丙烯非織造布；將氧化石墨烯接枝在高聚物上，能減少織物的帶電量，顯著提升織物的抗靜電性。

(3)對非織造布進行金屬化整理，即通過化學涂層、電鍍、真空鍍、化學鍍等技術將金屬材料以粉末狀或原子、分子、粒子狀態集聚于基材表面，使基材在保持原有風格和特性的基礎上賦予抗菌等功能[10]。如將銀離子涂覆在中空纖維內表面，在液體環境下可實現銀離子的緩釋作用，達到抗菌的目的。

使用接枝或金屬化處理后能夠獲得永久性抗菌等性能，而目前醫用防護服大多為一次性使用，若采用上述方法生產防護服，會造成材料浪費以及面臨制備成本過高的問題，因此目前醫用防護服材料大多用整理劑來進行處理。與此同時，由于膜材料的發展，還可以采用鍍膜工藝來處理非織造布，如采用防水透濕膜層壓在非織造布上，能顯著地提升液體阻隔性。研究顯示采用SMS非織造布，發生血液滲透感染率約為5%，而薄膜層疊制成的非織造布僅為2%，且舒適性更好[11]。但目前我國制備的一些膜材料存在著制備過程繁瑣、透氣性和阻隔性難以平衡以及成本過高等問題，因此目前還不適合大面積投向市場[12]。

1.1 阻隔性

阻隔性是醫用防護服最為重要的性能要求，主要包含液體阻隔、微生物阻隔和顆粒物阻隔。

1.1.1 液體阻隔性

在診治過程中，醫護人員不可避免地會接觸到含有病原體的血液、體液以及分泌物，若防護服阻隔性不強，就存在暴露風險。針對這一問題，主要從以下兩個方面入手：

1.1.1.1 利用后整理工藝提升基布的拒液性能

當液體和固體接觸時，會在固液界面形成接觸角θ(見圖1)，這是衡量液體對固體表面潤濕程度的重要參數。若θ<90°，液體容易浸潤固體；若θ>90°，則液體不易浸潤固體，且θ值越大，固體拒液效果越好[13]。

圖1 液體與固體接觸形成的接觸角Fig.1 The contact angle between liquid and solid

根據浸潤原理，可以采用兩種處理方式：

(1)通過對織物進行改性如化學接枝等手段，將具有疏水性的基團接枝到高聚物上，制備具有拒水性能的非織造布。王丹等[14]通過紫外輻射的方法將甲基丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸十二酯接枝到聚丙烯熔噴非織造布上，實驗表明接枝改性后非織造布的接觸角從78.9°增加到130.2°，拒水性能顯著增強。

(2)利用拒液整理劑處理基布制備拒水性非織造布。呂艷如等[15]用碳納米管(CNT)對SMS非織造布進行處理，經過處理后SMS非織造布的接觸角從123.5°增加到141.3°，拒水性增強，并且CNT質量濃度越高，拒水性越好。蘇靜等[16]用拒水拒油整理劑NUVA HPC LIQ 60/L對SMS非織造布進行后整理，整理后SMS復合非織造布對水、血液和酒精的接觸角分別提升50.44%、48.34%和107.6%。曲方圓等[17]利用泡沫整理法對SMS非織造布進行單面整理，整理后對水的接觸角可達132.9°。

1.1.1.2 多層復合結構的層疊阻隔結構

為提升非織造布的防護效果，可以將具有阻隔和過濾性的膜材料放置在雙層非織造布中間，構成一種三明治式阻隔結構。浙江金三發非織造布有限公司用ES皮芯纖維為原料，通過熱風熔融皮層結構固結成布，復合后經過熱風穿刺加固形成上下兩層熱風非織造布，在中間放入拒水液微孔膜形成的拒液層，該種非織造布較傳統水刺非織造布舒適感、拒水性得到提升[18]。郭秉臣等[19]在原先紡粘-防水透濕薄膜(SF)非織造布的基礎上開發出紡粘-防水透濕薄膜-紡粘(SFS)復合材料醫用防護服，結果表明SFS復合材料具有優異的防水性，并且SFS較SF更有效地保護了防水透濕膜，避免了因薄膜強力受損而導致阻隔效果消失。

1.1.2 顆粒阻隔性

醫用防護服對微生物阻隔主要是防止病毒和細菌的滲透，當這些病原體混雜在液體中如血液、體液中時，依靠防護服的液體阻隔性就能阻隔。但有些呼吸道疾病如SARS，病毒會通過空氣以氣溶膠的形式被吸入或附著在皮膚表面造成感染[20]。因此醫用防護服還應該具有顆粒阻隔能力，其主要測試指標為過濾效率，即在規定條件下，防護服對空氣中的顆粒物濾除的百分數[21]。

纖維過濾機理有5種，分別為攔截、慣性、擴散、重力和靜電效應。其中擴散、重力和慣性的過濾效果主要依靠顆粒本身性質如粒徑大小、密度等來實現過濾，而攔截和靜電效應可通過改善基材得到加強。

對攔截效應而言，可以通過采用超細纖維來增大微粒和纖維之間的直徑差，從而增強過濾性。彭鵬等[22]以聚丙烯超細纖維和活性炭顆粒為原料，制備了一種三明治式非織造布，其上下層均為聚丙烯超細纖維，中間層為活性炭顆粒，經測試該種非織造布對1 μm以上粒子的捕獲率可達到100%。東華大學陳廷等[23]以平均直徑為3.07～8.43 μm的聚酰胺超細纖維為原料，通過熔噴法制備出聚酰胺超細纖維非織造布。結果表明,該種非織造布具有纖維超細化、孔徑小、孔隙率高等特點，過濾性能顯著。

對靜電效應而言，可利用靜電駐極工藝如電暈放電法、熱極化法等處理非織造布材料，使其成為靜電型駐極體非織造布。處理后利用纖維的庫侖力就可實現對空氣中微粒的捕獲，其過濾效果超過納米級精細度的纖維并且不會增加濾阻。錢幺等[24]以ES纖維針刺非織造布為原料，通過摩擦進行駐極處理，結果表明經過摩擦處理的ES非織造布的過濾效率大幅度提升，過濾阻力有所下降。康衛民等[25]通過電暈放電法制備出了納米電氣石/聚丙烯駐極熔噴非織造布，結果表明駐極體熔噴非織造布的駐極效果大大改善，過濾性能明顯提高。

1.2 抗菌性

研究發現，細菌可以在外界自我復制繁衍，而病毒只能寄生于宿主細胞才能存活[26]。因此醫用防護服必須具備抗菌功能。

1.2.1 抗菌纖維基醫用非織造材料

通過直接采用抗菌纖維或混紡的方法將抗菌纖維和普通合成纖維混合來制備抗菌性非織布。梁志宏等[27]以FFA抗菌纖維(聚丙烯腈與三乙烯四胺TETA經交聯、水溶劑體系下胺肟化得到的纖維)和丙綸纖維混合制備了KJW-50PAN的抗菌水刺非織造布，結果表明FFA抗菌纖維對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和肺炎克雷伯菌的抗菌效率均大于99%。潘力等[28]以絲瓜絡纖維為原料，通過濕法紡絲方法制備絲瓜絡纖維非織造布，結果表明在絲瓜絡纖維非織造布上均未出現大腸桿菌和金黃色葡萄球菌，無細菌繁殖跡象。Xing等[29]以熱塑性聚氨酯(TPU)、室溫離子液體(IL)、六氟磷酸1-丁基-3-甲基咪唑鎓為原料，通過靜電紡絲技術制備出均勻的納米纖維，其制備的非織造布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌效率分別為99.99%和99.9%。

1.2.2 利用后整理改性醫用非織造材料

通過將抗菌劑涂覆在非織造布表面，獲得具有抗菌性能的非織造布。Gao等[30]將米諾環素/CM-Chit溶液涂覆在經過等離子處理的CAF針刺無紡布表面上，然后通過1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和羥基丁二酰亞胺(NHS)制備出Mino負載的CM-chit凝膠/CAF無紡布，結果顯示該種非織造布能明顯抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的活性。陳影等[31]使用特殊雜環類抗菌整理劑TF-618對SMS非織造布進行抗菌整理，結果表明經整理后SMS非織造布具有良好的抗菌性能。

對纖維進行改性處理，即將具有抗菌性能的基團接枝在高聚物大分子上，從而制備出具有抗菌性能的非織造布。孔祥曌等[32]在聚丙烯非織造布表面，用環氧型交聯劑乙二醇二縮水甘油醚(EGDE)和生物大分子殼聚糖進行接枝改性,結果表明改性后的聚丙烯非織造布對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌率分別達到96.9%和93.4%。

對非織造材料進行金屬化整理，將某些具有滅菌功能的金屬離子沉積在非織造布表面，以此制備出具有抗菌性能的非織造布。如研究人員以中空載銀纖維和棉纖維為原料，通過水刺法制備出棉/銀抗菌非織造布，結果表明當載銀纖維含量在5%時，抑菌率可達到65%[33]。王鴻博等[34]利用磁控濺射技術在丙綸非織造布表面沉積銀，結果表明表面沉積1 nm厚的銀，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達到99.96%和100%。

1.3 抗靜電性

醫護人員在診治病人過程中，通常會使用酒精等液體進行消毒處理，而這些液體往往易燃、易爆。如果在噴灑酒精的過程中產生靜電，很有可能會引發燃燒、爆炸，從而對醫護人員和患者造成傷害，因此醫用防護服必須具備抗靜電性。要使織物獲得抗靜電性，就要提高織物的導電能力從而防止電荷聚集。針對這一問題主要有兩種解決思路。其一對纖維進行改性處理。苗苗等[35]以冰醋酸為催化劑將氧化石墨烯接枝到聚丙烯非織造布上，結果表明接枝處理后非織造布摩擦帶電壓從2 855.8 V降到1 094.0 V，摩擦帶電壓減少了1 761.8 V，抗靜電性能達到B級。其二是將具有導電性能的整理劑整理在非織造布表面，從而得到抗靜電非織造布。宋會芬等[36]用殼聚糖和陽離子表面活性劑制備復合抗靜電劑，然后對丙綸紡粘非織造布進行整理，得到抗靜電性非織造布。結果表明，在較低質量濃度(0.25%～0.5%)的靜電劑下，織物就能獲得優異的抗靜電性，不僅能減少靜電荷的產生還能快速逸散，且對服用性能無影響。

2 我國一次性醫用防護服的技術標準

我國醫衛紡織品的技術標準實行較晚，在2003年SARS爆發后才制定了GB 19082—2003《醫用一次性防護技術要求》[37]。由于制定時間倉促導致很多指標不夠細化、全面，因此我國在2006年后陸續出臺了21項標準進行補充。具體如表1所示。

表1 我國醫用防護服技術標準類別Table 1 Technical standards of protective clothing in China

續表1

表1中的國家標準和行業標準中詳細規定了醫用一次性防護服的外觀、性能、試驗方法、技術參考要求、包裝以及貯存等內容，技術參數中除結構、型號規格、斷裂伸長率、阻燃、靜電衰減為參考性性能，其余均為強制性性能，具體技術標準如表2所示(其中附錄請掃描OSID二維碼查看)。

表2 醫用防護服技術標準參考和要求Table 2 Technical standard reference and requirements of medical protective clothing

續表2

注：表中A為常規型防護服；B為冷環境防護服；C為固態顆粒化學防護服；D為微波輻射防護服；E為酸堿類化學防護服。

從表2可以看出，根據醫護人員工作環境不同，我國制定了個性化的防護服技術參數。這有利于在各種環境下有效保護醫護人員的生命健康。但仍存在有以下問題：

(1)指標覆蓋不全面。如冷環境防護服雖然著重強調了熱學性能和透氣性，但對服裝力學性能未做太多要求。而纖維在低溫下其強度和韌性都會有所損失，隨著時間的增長，性能損失會加大，這很有可能會破壞防護服的防護效果。因此在強調特殊場合特定功能下，還應該考慮其他性能的衰減率。

(2)對于舒適性要求不高。各類防護服大多著重強調力學和阻隔性能，但對于服用性能涉及不多。而實際生活中，醫護人員往往需要長時間穿著，人體微環境的穩定就顯得尤為重要。

(3)對防護服一體化設計沒有做出要求。目前的防護服穿著太過繁瑣，往往需要數人通力合作才能穿戴和脫下，便捷性需要提高。

3 醫用防護服智能化展望

醫護人員由于工作時間長、工作壓力大，會造成極大的身體負荷，這些問題在大規模疫情爆發時尤為突出。因此醫用防護服不僅要能抵擋住外來的危險源，更要能監測醫護人員身體內部情況，從而全方位地保障醫護人員的生命安全。紡織基柔性傳感器的發展為醫用防護服的智能化提供了可能。

紡織基柔性傳感器是紡織材料和柔性傳感器的結合，紡織基材具有高柔性及彈性、低成本及結構多元多維化、高親膚性等特點，在其中結合電子、計算機等高新技術，就能夠實現一體化的智能紡織品，其在醫療監控領域有著及其廣闊的應用前景[38]。

呼吸、脈搏、心率、體溫等對人體健康情況評估有著重要的參考價值，目前紡織基柔性傳感器可以實現對這些生理指標的監控。郭秋晨等[39]用6種不同的導電紗線為原料制備出不同尺寸的針織柔性傳感器，將其編織為智能無縫服裝，用來監測人體心跳、呼吸以及脈搏。結果表明，3種生理指標的數據準確性良好。田新宇等[40]以針織復合組織為基礎，采用植入光纖布拉格光柵傳感器的空氣層與其他組織相結合的織物結構，制備出一種具有高彈性的脈搏傳感織物且可更換傳感器，不影響穿著舒適性。結果表明，該種脈搏傳感織物可低失真度地監測到脈搏波。?zdenir等[41]利用不銹鋼絲芯線在緯紗方向上與織物組合制備出一種可穿戴的溫度監控系統，可實現對人體溫度變化信號的監控。Lou等[42]將氧化石墨烯納米片涂覆在聚偏氟乙烯纖維上制備成納米纖維，進而鋪展成3D網狀，將其應用到服裝上可以實現對人體脈搏、肌肉運動的監控。Wang等[43]將蠶絲織物經過碳化處理后再進行封裝制成的設備應用到服裝上也可具備對呼吸、脈搏、關節運動的監測。杜紫嫣等[44]在面料中嵌入發光織物，當穿著者心率、脈搏發生變化時，織物發光的頻率和顏色也會隨之改變，并且利用ZigBee和藍牙無線技術的無線通信網絡，可以實現監控者和穿戴者信息交互，能第一時間掌握穿戴者的身體變化情況。

將紡織基柔性傳感設備應用到醫用防護服中，可實現醫用防護服的智能化。不僅能阻隔外界危險源，更能系統、準確地監測使用者的身體情況，并且可以利用無線數據傳輸技術，將防護服監測的數據實時上傳，利用大數據進行分析。對體溫、脈搏、血壓等重要生理指標超標的數據來源者進行追蹤，如果數據連續超標或達到預定上限，系統就會進行提示。這樣可以完全避免醫護人員因過度勞累損害健康甚至導致猝死的問題，但目前仍存在著以下問題：

(1)傳感設備與醫用防護服的結合方式選擇。目前醫用防護服大多為一次性使用，倘若將傳感設備無縫植入防護服中，無疑會造成制造成本過高以及傳感設備使用效率低的問題。因此找到兩者合適的結合點是今后智能化醫用防護服亟待解決的問題。

(2)目前的紡織基柔性傳感設備在機械磨損或水洗下，可靠性和穩定性極易受到影響，還無法滿足日常生活的性能需求。

4 結語

本文綜述了醫用防護服的主要性能、改進工藝、技術標準。非織造布是醫用防護服的主要基材，其阻隔性、抗菌性、抗靜電性是重要的性能指標，可以通過纖維改性、混紡、后整理等工藝對重要性能進行提升。醫用防護服的性能標準在不斷的完善和細化，但對于便捷和舒適性能要求仍有欠缺。此外紡織基柔性傳感器在實現醫用防護服智能化上具有廣闊的應用前景，但制備成本、使用效率和傳感器服用性等問題仍面臨巨大的挑戰。