聚丙烯纖維膜﹑尼龍曲孔膜和聚酯核孔膜濾除藥液固體微粒的比較

楊建鑫, 何志波, 郭士倫

1. 北京伏爾特技術有限公司， 北京 100072；2. 中國原子能科學研究院，北京 102413

核孔膜是基于固體核徑跡探測器(SSNTD)發展而出現的一種新型高科技材料, 它是用粒子加速器或核反應堆產生的重離子照射絕緣固體薄膜，經化學蝕刻后，在薄膜中生成具有穿透性微孔的材料，在科研、醫學和工業中得到廣泛應用[1～13].聚丙烯(PP)纖維膜和尼龍(Nylon)曲孔膜是用化學方法制成的具有復雜形狀微孔的材料，是兩種常用濾材.聚酯(PET)核孔膜是核孔膜的品種之一，化學穩定性和機械強度比較高，是目前廣泛采用的輸液過濾器膜材之一.一次性輸液過濾器使用的目的之一是濾除藥液中含有的和從輸液器管路脫落的固體微粒，尤其是輸液操作中輸液針頭與橡膠塞摩擦產生的橡膠碎末和擊破安瓿瓶產生的玻璃碎屑，這些固體微粒一旦進入血管，將堵塞微血管，形成血栓，危害終身[14].成人的微血管直徑為6 μm～8 μm[14，15]，這是一次性使用輸液過濾器制作時選擇參數的基本依據.由于這些過濾膜材的微觀結構和濾除對象(固體微粒)處于微米(μm =10-6m)范圍, 肉眼看不見, 只能借助微觀測量儀器才能觀察, 普通民眾、生產過濾器人員和一般醫療人員很難正確選擇哪種膜材更為適合.為了合理選擇膜材和揭示固體微粒對人的危害, 有必要用專門儀器對各種膜材和各種微粒的特征以及它們的濾除效果作直觀和有說服力的研究.

本工作對以上三種膜材的微觀結構、注射針頭與橡膠塞摩擦產生的橡膠碎末以及擊破安瓿瓶產生的玻璃碎屑的結構進行了精細觀察, 對這兩種固體微粒穿過三種濾膜的運動規律進行了研究，對PP纖維膜與PET核孔膜串聯組成的級聯過濾器(PP+NTM，NTM=核孔膜)和Nylon曲孔膜與PET核孔膜串聯組成的級聯過濾器(Nylon+NTM)的濾除率和藥液流速進行了研究，并與中國藥典的要求作了對比，對使用各種膜材和選用醫用過濾器提出了建議.

1 橡膠碎末與玻璃碎屑的收集和過濾

為了觀察橡膠碎末和玻璃碎屑的產生和通過濾膜的規律，根據配伍禁忌[14,15]，選擇了如下注射劑進行實驗：(1)0.9 % 生理鹽水(橡膠塞)，1瓶，500 mL.(2)3 % 葡萄糖注射液(橡膠塞)，2瓶，1 000 mL.(3)頭孢唑啉鈉(橡膠塞)，10瓶.(4)地塞米松磷酸鈉(安瓿)，10支.(5)利巴韋林(安瓿)，10支.(6)維生素C(安瓿)，3支.按照操作規程穿刺橡膠塞，用專用砂輪切割安瓿瓶，所有操作符合醫學要求.圖1～圖3 分別為輸液瓶穿刺器針頭、橡膠塞和安瓿瓶的照片.

圖1 穿刺器針頭照片Fig.1 Photograph ofpuncture needle圖2 橡膠塞照片Fig.2 Photograph of rubber plugs圖3 安瓿瓶照片Fig.3 Photograph of medical ampoule

為了揭示橡膠碎末和玻璃碎屑的結構特征，以及對人體的傷害，用前述藥品，按照正常操作程序作了模擬輸液過濾實驗.把PP纖維膜和PET核孔膜串聯在一起，組成PP膜與PET核孔膜級聯過濾器(PP+NTM)，讓藥液先流過PP纖維膜，然后流過PET核孔膜；或把Nylon曲孔膜和PET核孔膜串聯在一起，組成Nylon膜與PET核孔膜級聯過濾器(Nylon+NTM)，讓藥液先流過Nylon膜，然后流過PET核孔膜.用級聯排列的過濾器，既可以觀察兩種微粒穿過每種膜的特性，也可以觀察級聯過濾器的組合特性.兩種級聯過濾器的過濾實驗單獨完成.過濾時采用的壓力為1 m 水柱產生的壓力.

2 PP纖維膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的結構特征

用掃描電子顯微鏡(SEM, JEOL，Japan,JCM-6000 Plus)對PP纖維膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的微觀結構進行了觀察.圖4、圖5和圖6分別為PP纖維膜、Nylon 曲孔膜和PET核孔膜在低放大倍數(400倍)掃描電子顯微鏡(SEM)下的照片，圖7、圖8和圖9 分別為這三種膜材在高放大倍數(2 000倍)下的SEM照片.

由圖4和圖7可見，PP纖維膜由雜亂的纖維堆積、熱壓和粘結而成，膜體結構疏松，無理想光滑表面 ，微孔由纖維之間的間隙構成，無規則孔形，無統一孔徑.纖維膜的孔徑為標稱孔徑，是一系列縫隙寬度的平均值.標稱孔徑的不確定度(誤差)很大，比標稱孔徑大得多的固體微粒有可能穿過纖維之間的較大縫隙穿過纖維膜，進入過濾后的藥液，過濾效果差.

由圖5和圖8可見，Nylon曲孔膜由大小不一的原料顆粒熱壓和粘結而成，膜體結構較為疏松，無完整壓制平面，微孔由顆粒間的縫隙構成，各處縫隙形狀不一，大小相異，無規則孔形，無統一孔徑.曲孔膜的孔徑為標稱孔徑，是一系列縫隙寬度的平均值.標稱孔徑的不確定度(誤差)也很大，比標稱孔徑大得多的固體微粒有可能穿過原料顆粒之間的縫隙，進入過濾后的藥液，過濾效果不佳.

由圖6和圖9可見，PET核孔膜有堅實光滑的表面，微孔呈圓形，孔形規則，孔徑均一(除個別重孔外)，標稱孔徑為微孔的真實直徑.本研究采用的核孔膜微孔直徑為5 μm，與中國國家標準的要求(≤ 5 μm)一致[16,17]，也小于人體微血管的直徑6 μm～8 μm.很顯然，作為過濾器濾材，核孔膜的微觀結構是最優異的.

圖4 PP纖維膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大倍數:400 倍Fig.4 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of PP membrane with magnification ×400圖5 Nylon曲孔膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大倍數:400 倍Fig.5 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of nylon membrane with magnification ×400圖6 PET核孔膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大倍數:400 倍Fig.6 Scanning electron microscopic (SEM) micrograph of PET trackmembrane with magnification ×400

圖7 PP纖維膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大2 000 倍Fig. 7 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of PP membrane with magnification ×2 000圖8 Nylon曲孔膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大2 000 倍Fig.8 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of nylon membrane with magnification ×2 000圖9 PET核孔膜的電子顯微鏡(SEM)照片放大2 000 倍Fig.9 Scanning electron microscopic(SEM) micrograph of PET membrane with magnification ×2 000

圖4、圖5和圖6是相同放大倍數(400倍)下拍攝的電子顯微鏡(SEM)照片.比較這三張照片，很容易看出，三種膜材的表面形態、微孔形狀和孔徑有明顯差別.同樣，圖7、圖8和圖9也是放大倍數相同(2 000倍)的照片，在高倍電子顯微鏡(SEM)下，三種膜材微孔的巨大差別一目了然，核孔膜是這三種濾材中最優越的.

3 橡膠碎末和玻璃碎屑的形狀特征

配制的藥液過濾后，把兩個級聯過濾器打開，把四片濾膜(PP膜，PET膜；Nylon膜，PET膜)分別取出，放入55℃烘箱烘干，在濺射室內在薄膜正面(即收集了橡膠碎末和玻璃碎屑的表面)濺射金層，金層厚度為10 nm.然后，把四片濾膜放入掃描電子顯微鏡(SEM)中，觀察各片濾膜表面截留的微粒形狀和過濾特征.圖10和圖11為橡膠碎末被PP纖維膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片；圖12為橡膠碎末被PET核孔膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片，以上兩種膜是組成(PP+NTM)級聯過濾器的膜片.

由圖10、圖11和圖12可以看出：穿刺針頭與橡膠塞摩擦產生的橡膠碎末的特征是：表面圓潤，邊緣彎曲，交角圓鈍，容易識別.級聯過濾器(Nylon+NTM)截留的橡膠碎末的形狀特征與級聯過濾器(PP+NTM)截留的橡膠碎末的形狀特征相同.

圖13和圖14分別為玻璃碎屑被PP纖維膜和Nylon曲孔膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片，圖15為玻璃碎屑穿過PP纖維膜后被PET核孔膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片.

圖10 PP纖維膜表面截留的藥液中橡膠碎末的電子顯微鏡(SEM)照片(圖中部)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) 圖11 PP纖維膜體內截留的藥液中橡膠碎末的電子顯微鏡(SEM)照片(圖中部)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)圖12 PET核孔膜截留的穿過PP膜后橡膠碎末的電子顯微鏡(SEM)照片(圖中部)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)

圖13 PP纖維膜表面截留的藥液中玻璃碎屑的電子顯微鏡(SEM)照片(圖中部) 放大倍數: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)圖14 Nylon曲孔膜體內截留的藥液中玻璃碎屑的電子顯微鏡(SEM)照片(圖中左部)放大倍數: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)圖15 PET核孔膜截留的穿過PP纖維膜后玻璃碎屑的電子顯微鏡(SEM)照片 放大倍數: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)

由圖13、圖14和圖15可以看出：擊破安瓿瓶產生的玻璃碎屑的結構特征是：表面平滑，邊緣挺直，交角尖銳，容易識別；玻璃碎屑不但能堵塞微血管，而且，由于存在銳利的邊緣和鋒利的交角，能割傷微血管.

4 PP纖維膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜的濾除機制

由橡膠碎末和玻璃碎屑在PP纖維膜、Nylon曲孔膜和PET核孔膜上的截留位置，可以推測這兩種微粒被這三種薄膜的截留機制：

由圖10可見，橡膠碎末可以被截留在PP膜表面，屬于PP膜表面截留.圖11中，橡膠碎末被PP膜內部纖維攔截，屬于纖維膜體內截留.圖12中，碩大的橡膠碎末被截留在PET核孔膜表面，屬于核孔膜表面截留，這個碎末是穿過級聯過濾器(PP+NTM)前部的PP纖維膜的縫隙后抵達PET核孔膜，并被核孔膜攔截下來的.它說明，線度很大的橡膠碎末(～39 μm)可以穿過PP纖維膜.這一線度遠遠大于人體微血管的直徑6 μm～8 μm，這樣大的橡膠碎末一旦進入人體血管，必然堵塞微血管.可見，單層PP纖維膜不能用作一次性輸液過濾器，很多巨大橡膠碎末可以穿過PP膜，進入人體，造成危害.圖12也說明：PET核孔膜能截留粒度大于核孔膜微孔直徑的所有固體微粒，被截留在核孔膜表面的微粒的數目(N)、大小(D)、形狀和化學成分可用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和測量(借助安裝在掃描電子顯微鏡(SEM)內的x射線分析儀分析化學成分).由此可見：核孔膜是濾除藥液固體微粒最好的膜材.

圖13和圖14說明， PP纖維膜和Nylon曲孔膜，都有濾除藥液中一部分玻璃碎屑的能力.

圖15中， PET核孔膜截留了一個很大的玻璃碎屑(～68 μm)，這個碎屑是穿過了級聯過濾器(PP+NTM)前部的PP纖維膜的縫隙后抵達PET核孔膜，并被核孔膜攔截下來的.它說明，線度很大(～68 μm)的玻璃碎屑，與橡膠碎末一樣(圖12)，也可以穿過PP纖維膜.可見，單層PP纖維膜不能用作一次性輸液過濾器，巨大玻璃碎屑和橡膠碎末都可以穿過PP膜，進入人體，造成危害.

圖16是橡膠碎末穿過 Nylon 曲孔膜后被核孔膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片.

圖16 PET核孔膜截留的穿過Nylon曲孔膜后的橡膠碎末的電子顯微鏡(SEM)照片,放大倍數: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圖17 從Nylon曲孔膜中脫落的微粒被PET核孔膜截留的電子顯微鏡(SEM)照片 放大倍數: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

由圖16可見：線度過大的橡膠碎末，可以穿過Nylon膜.單層Nylon膜不能用作一次性輸液過濾器，很多大體積橡膠碎末可以穿過Nylon膜，進入人體，造成危害.

圖17中，核孔膜截留的微粒，既不是橡膠碎末，也不是玻璃碎屑，而是從Nylon曲孔膜脫落下來的粘結不牢的原料顆粒，或其他微粒.由此可見，Nylon膜不但不能有效地濾除固體微粒，還會產生和增加微粒.這些微粒直徑很大(～ 25 μm～ 54 μm)，如果進入血管，會堵塞微血管，對人體造成危害.Nylon曲孔膜不能單獨用作一次性輸液過濾器，但它可以用作級聯過濾器(Nylon+NTM)的前級過濾器(或稱預過濾器).

5 核孔膜級聯過濾器的濾除率和流速與中國藥典的比較

由前面的研究可以看出，PP纖維膜或Nylon曲孔膜都不能單獨用作一次性使用輸液過濾器，但可以與PET核孔膜串聯組成級聯過濾器，用作一次性輸液過濾器.中國藥典對輸液過濾器有明確要求：對藥液中粒徑 ≥ 5 μm的固體微粒，濾除率 ≥ 90 %；壓力為1 m水柱高度時，藥液流速 ≥ 500 mL/10 min[16,17].為了檢查級聯過濾器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)是否符合中國藥典要求，用庫爾特儀(Coulter counter)[18]測量了粒徑 ≥ 5 μm固體微粒的濾除率，即單位體積藥液中被濾除的微粒數(ΔN)與濾前總微粒數(N0) 之比(r=ΔN/N0)，r為濾除率.用過濾時間(t)和t時間內過濾出的藥液體積(V)計算了藥液流過兩種級聯過濾器的流速(v=V/t).圖18 繪出了(PP+NTM)級聯過濾器和(Nylon+NTM)級聯過濾器的濾除率的測量結果.圖中也給出中國藥典對濾除率要求的數值.

由圖18可見，PP膜與PET核孔膜級聯過濾器(PP+NTM)和Nylon膜與PET 核孔膜級聯過濾器(Nylon+NTM)的濾除率都達到且高于中國藥典規定的標準，而且(Nylon+NTM)級聯過濾器的濾除率高于(PP+NTM)級聯過濾器的濾除率，這與Nylon膜的結構比PP膜的結構較為致密是一致的.

PP膜與PET核孔膜級聯過濾器(PP+NTM)和Nylon膜與PET 核孔膜級聯過濾器(Nylon+NTM)過濾藥液流速的測量結果示于圖19，圖中也繪出了中國藥典的標準.

由圖19可見:兩種級聯過濾器的流速都符合且高于中國藥典規定的標準.這表明，這兩種級聯過濾器(PP + NTM)和(Nylon + NTM)可以在醫院使用，而且，級聯過濾器(PP+NTM)的流速大于級聯過濾器(Nylon+NTM)的流速，這與PP膜的結構比Nylon膜的結構更為松散是一致的.

6 結論

圖18 級聯核孔膜過濾器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)濾除率的測量結果與中國藥典標準的比較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圖19 級聯過濾器(PP+NTM)和(Nylon+NTM)過濾藥液流速的測量結果及其與中國藥典標準的比較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

通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察和儀器測量，可以得到如下結論：

(1)輸液瓶橡皮塞與針頭摩擦產生的橡皮碎末在電子顯微鏡(SEM)下容易辨認，其特征是：表面圓潤，邊緣彎曲，交角圓鈍.安瓿瓶產生的玻璃碎屑的結構特征是：表面平滑，邊緣挺直，交角尖銳鋒利，不但能堵塞微血管，而且能割傷微血管.

(2)PP纖維膜和Nylon曲孔膜結構疏松，無光滑表面，孔形不規則，孔徑大小不一，截留微粒的機制分為表面截留和體內截留，很大的固體微?？梢源┻^PP膜或Nylon膜中較大縫隙，進入過濾后的藥液，過濾效果差.單片PP膜，或單片Nylon膜，都不適于作一次性輸液過濾器.

(3)PET核孔膜質地堅實，表面光滑、孔形規則、孔徑均一，過濾機制為表面截留，能濾除所有大于孔徑的固體微粒，例如，輸液操作中輸液針頭與橡膠塞摩擦產生的橡膠碎末和擊破安瓿瓶產生的玻璃碎屑.各種微粒被截留在核孔膜表面，便于研究微粒大小、數目和微粒的化學成分，適于制作高質量醫學輸液過濾器.

(4)本研究發現：Nylon曲孔膜體內粘結不牢固的原料顆?；螂s志微粒，受藥液沖刷后，可能脫落下來，進入藥液，造成藥液額外污染.進一步去除nylon膜脫落顆粒的最好方法是在nylon膜后附加PET核孔膜，組成級聯過濾器.

(5)由PP膜或Nylon膜與PET核孔膜串聯組成的級聯過濾器，除具有PET核孔膜原有的優點(濾除率高)外，流速比單片核孔膜高[12].這是由于，一部分橡膠碎末和玻璃碎屑或其他微粒被前級PP膜或Nylon膜濾除，減少了對核孔膜微孔堵塞，使流速比單片核孔膜增大.因此，級聯核孔膜過濾器比單片核孔膜過濾器更為完美，可作為改進型核孔膜精密輸液過濾器.

致謝

作者對俄羅斯杜布納聯合原子核研究所(JINR，Dubna, Russia)Dmitriev S N, Apel P, Galinsky E和 Nechaev A 提供核孔膜，對北京伏爾特技術有限公司丁力、朱楠和肖月幫助作藥液過濾、濾除率測量、流速測定和電子顯微鏡視察表示感謝.