不同種類口罩防血液穿透性能研究

管曉寧，韓佳祥，林佳冰，王 璐，林 婧，高曉東，胡必杰

(1. 東華大學紡織學院，上海 201600； 2. 東華大學紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201600； 3. 東華大學紡織行業生物醫用紡織材料及技術重點實驗室，上海 201600； 4. 復旦大學附屬中山醫院感染管理科，上海 200030)

二十一世紀，冠狀病毒引起多次暴發，包括嚴重急性呼吸綜合征冠狀病毒(SARS-CoV)[1]、中東呼吸綜合征冠狀病毒(MERS-CoV)[2]和豬流感[3]，是嚴重危害公共健康的病原體[4]。2019年由新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)引起的新型冠狀病毒肺炎(COVID -19)更是在世界范圍傳播[5]，其傳播方式有接觸傳播、飛沫傳播、氣溶膠傳播[6-7]。由于醫務人員職業特點，在給患者做醫學檢查或治療的過程中，血管一旦發生穿透可能導致高速血流噴射到醫務人員面部，當攜帶有病毒血液、體液或分泌物接觸到人體的鼻黏膜、口腔黏膜等時，存在罹患感染性疾病的風險。國際職工健康安全中心對46所醫院的調查顯示，在481例發生血液接觸的醫務人員中外科醫生占55%，護士占25%[8]，不同外科醫生面臨血液飛濺的風險存在差異[9-10]。口罩作為醫務人員的保護屏障，其防血液滲透能力是重要指標，以定量血液在特定壓力噴射口罩，內側是否會發生血液滲透作為評價標準，可能存在肉眼無法觀測到的血液噴濺現象[11]。醫務人員佩戴口罩時，不同使用場合下對口罩防血液穿透要求不同，特別是高危血液噴濺風險場景標準更高。不同國家和地區對口罩抗血液滲透性能評價標準不同[12-19]，但均是單一條件下對血液穿透情況進行視覺觀察，缺乏對血液噴射壓力、距離、時間等影響因素的定量評估。本研究通過模擬不同血液噴射參數，探究不同口罩防血液穿透能力，并實現血液面積定量，為醫護人員合理佩戴口罩提供建議，為口罩生產企業改進口罩設計提供思路，為奮戰在一線的醫護人員提供切實保障。

1 對象與方法

1.1 研究對象

1.1.1 口罩 本試驗選取醫務人員常用的三個品牌的三種類型口罩作為樣品研究，口罩具體信息見表1。

表1 口罩樣品基本信息

1.1.2 合成血液 人工合成血液[pH=7.3±0.1，表面張力(0.042±0.002)N/m]，符合標準YY 0469—2011。見圖1。

圖1 試驗用合成血液實物圖

1.2 測試方法

1.2.1 SEM掃描 使用儀器為纖維原位拉伸形貌表征儀(Phenom XL，上海東松醫療科技股份有限公司)。首先將三種口罩樣品進行拆解，選取最外側無紡布進行掃描觀察，觀察口罩拒水層無紡布的微觀結構。

1.2.2 接觸角測量 使用儀器為接觸角測量儀(OCA15EC，北京奧德利諾儀器有限公司)。首先對三種口罩進行拆解，選取最外層無紡布作為研究對象，對平整處的無紡布進行裁剪，規格為1 cm×5 cm。將裁剪好的樣品貼伏于表面光滑的載物臺上，輕輕按壓樣品，使其與載物臺面無縫隙，便于之后的測量與觀察，防止樣品中間隆起影響測試結果。

1.2.3 高速攝影儀觀察 使用儀器為高速攝影儀(i-SPEED5, iX Cameras Ltd)。設置拍攝速率為4000 FPS，即每兩張照片的時間間隔為0.000 25 s。從側面與正面觀察血液噴射到口罩表面的運動過程以及血液的噴射流動軌跡。

1.2.4 血液噴射表面觀察及血液面積測量

1.2.4.1 血液穿透測試 使用儀器為醫用口罩合成血液穿透試驗儀(JYF-247X，上海際發儀器設備有限公司)。參考國家標準《醫用防護口罩》GB 19083，以標準中規定的參數(噴射壓力120 mmHg、噴射距離30 cm、噴射量2 mL)作為對照樣品。在此基礎上，改變噴射參數探究口罩對于合成血液的防護效果，如高壓噴射(160 mmHg)、近距離噴射(15 cm)、長時間噴射(60 s)。

1.2.4.2 拍攝取樣 首先將噴射血液后的口罩樣品平行放置于桌面上，放置過程輕拿輕放，防止血液在移動過程中發生灑落。然后將拍攝儀器固定同一高度(距桌面24 cm)，拍攝時需將直尺放置于口罩表面進行拍攝，目的是設置相同的比例尺規格，確保后續計算血液面積的準確科學。

1.2.4.3 血液面積計算 運用Image J軟件計算血液面積，通過調節圖像的Hue、Saturation、Brightness值框選出血液區域，即可計算獲得不同口罩表面的血液面積。

2 結果

2.1 SEM掃描結果 對口罩最外層無紡布進行SEM掃描觀察，見圖2。經血液噴射后的口罩表面形態見圖3。外側拒水層無紡布的電鏡照片觀察可以看出三種口罩均采用了紡黏熱軋點黏合的結合方式。對比發現，樣品A口罩黏合點附近的纖維明顯多于其他兩種，而樣品C黏合點周圍的纖維較少。樣品A黏合點周圍的纖維呈現凸起狀，黏合點具有一定深度，其他兩種樣品的黏合點與纖維幾乎處于同一平面。

圖2 口罩表層無紡布SEM掃描圖

血液干涸后以固體形式存留在表面無紡布的孔洞之中，如圖3 樣品C；還會以連續片狀物附著在黏合點表面，如圖3樣品A、B。血液噴射對纖維的影響較小，纖維的形態結構幾乎沒有發現改變，未觀察到斷裂、溶脹等現象。

圖3 血液噴射后口罩表層無紡布SEM掃描圖

2.2 表面接觸角測量結果 對三種口罩最外層無紡布的表面接觸角測量結果見圖4，可以看到三種口罩表面接觸角均大于130°，均具有很好的疏水性。

圖4 表層無紡布接觸角測量結果

通過對比發現，樣品A的接觸角略小，由其特殊表面處理造成。樣品A表面存在均勻的壓點，見圖5(A)。當進行接觸角測量時，表面會呈現出波浪狀，如圖中紅色線條，而在計算時，則是以圖5(B)中藍色線條進行，會導致測量角度減小。樣品A口罩樣品表面不光滑，纖網中的黏合點會使表面呈現凹凸狀態，粗糙程度大于其他樣品，粗糙度增加會增加表面疏水性。

圖5 樣品A表面結構圖和接觸角測量圖

2.3 高速攝影儀拍攝分析 為進一步評價三種口罩的血液防護性能，通過高速攝影與軟件處理技術，觀察血液到達不同口罩表面的形態與運動軌跡。高速攝影觀察血液噴射過程發現血液射流以球狀液滴的形式呈散射狀向前運動，運動狀態類似動脈損傷的特征性噴射，噴射軌跡見圖6。

圖6 血液噴射軌跡高速攝影儀拍攝圖像

每隔0.025 s截取一張圖片，計算各個時間點下的不同種類口罩附著血液面積，可以得到各個口罩表面血液面積隨時間增長的變化情況，見圖7。樣品A整體血液面積隨時間波動幅度最小，血液面積較為穩定。樣品B最終血液面積最小。樣品C最終血液面積最大，但在前0.1 s內血液面積增長速率最慢。

圖7 不同口罩血液噴射面積隨時間變化曲線

三種口罩經血液噴射后形態示意圖見圖8。樣品A為折疊型口罩，外側為互呈一定角度的兩個平面，且口罩表面粗糙程度大，當血液撞擊時，因自身重力向下流動，起到一定的排液作用，使口罩表面聚集的液體減少。但口罩表面的壓點會將血液液滴固定，導致較小的液滴不易滾落，血液面積增大。樣品B為拱形口罩，具有波浪狀結構，血液撞擊到口罩表面后會形成大小不一的液滴，液滴由于自身重力滴落與滾動，在滾落過程中遇到波浪狀結構會改變運動方向，口罩下部呈現內凹，因此液滴不會順勢接觸口罩下部，導致停留在口罩表面的血液較少，血液在樣品B表面增長速率較低。樣品C為平面口罩，在前0.1 s內血液上升速率最慢，因為血液易穿透表層無紡布，導致血液的濺射能力較差。樣品A與樣品B在前0.1 s內均呈現出不規則的濺射狀形態，而樣品C為較規則的圓形，面積相對較小。但由于樣品C不能及時進行排液，僅以少量液滴的形式滴落，其血液面積逐漸上升。

圖8 不同口罩血液噴射表面示意圖

2.4 不同測試條件下口罩抗血液穿透能力 人體平均血壓在10.6～16.0 kPa(80 mmHg～120 mmHg)范圍內變化，《YY 0469—2011醫用外科口罩》要求口罩需抵抗120 mmHg的血液壓力，為滿足醫用口罩特殊應用的需要，對血液滲透要求更為嚴格的外國標準中，Level 3級別口罩需要抵抗160 mmHg壓力。為進一步探究不同種類口罩的抵抗能力，進行了不同噴射壓力、噴射距離及噴射時間下血液穿透試驗，口罩表面血液形態見表2。

表2 不同條件下口罩血液穿透結果

三種類型的口罩樣品在不同壓力、距離下，噴射相同體積的合成血液內層均未出現血液穿透現象，性能遠超國家標準。當在高壓下對三個樣品進行60 s長時間的血液噴射時，由于血液體積增大，樣品B在三次平行試驗中存在一次內層血液穿透，拆解如圖9。

圖9 160 mmHg壓力下噴射60 s口罩表面血液形態圖

運用Image J軟件對口罩表面血液區域進行選取與計算，如圖10所示。不同條件下噴射血液的面積計算結果見圖11。

圖10 血液區域的選取與計算

圖11 不同條件下口罩表面血液面積圖

可以看到樣品B在三種條件下的血液面積最小，樣品C的血液面積最大。當壓力達到160 mmHg時，樣品A/B/C的血液面積相對于標準測試分別升高了17.0%、29.6%、76.9%，但僅樣品C差異有統計學意義(P<0.05)。當噴射距離縮短為15 cm時，樣品A與樣品B的血液面積相比標準有所降低(P值分別為0.036、0.016)，分別降低了48.6%、45.3%。

3 討論

口罩表面層無紡布大多采用點黏合加固方式，具有一定的疏水性與防液體穿透性，但不同種類口罩的加工工藝不同，導致無紡布纖維的數量、細度以及孔隙大小與數量存在差異，一定程度上影響了口罩防止血液穿透的能力。

3.1 口罩成型工藝影響血液的流動性與液滴的附著能力 口罩的形狀與表層無紡布的粗糙度都會影響血液的流動性與液滴的附著能力[20]。三種口罩血液噴射后的血液軌跡分析表明，醫用防護口罩(折疊式)與KN95口罩(拱形)具備良好的排液能力，0.2 s之后血液量趨于穩定，KN95口罩(拱形)由于特殊的波浪狀結構使液滴滾落的路徑發生改變，其排液能力與阻隔性能表現最優，其次為醫用防護口罩(折疊式)。而平面形一次性醫用外科口罩，由于液體阻隔性較差導致血液聚集在拒水層與過濾層之間，且具有流動性，其在0.5 s內血液量均呈現上升趨勢，若口罩在使用過程中中間層發生破損，流動的血液可能會發生滲透，存在一定污染風險。除此之外，醫用防護口罩(折疊式)和KN95口罩(拱形)均存在支撐層，使其具有外凸的形狀，更加硬挺，可抵抗一定的血液沖擊力。

3.2 加工工藝會影響口罩抵抗血液沖力能力 口罩表面的疏水性增強血液阻隔作用。根據Aydin等[21]的研究，液滴在穿透織物縫隙時會產生形變，需要克服表面張力，通常用靜態接觸角來表征液滴對于光滑物體表面的浸潤能力[22]。接觸角指液滴在一個平坦的平面上，在沒有周圍氣體運動的情況下，液滴處于平衡狀態時的角度[23]。有關粗糙固體表面接觸角的大量研究[24-26]中，最經典的有Wenzel模型和Cassie Batex模型。Wenzel模型中提到，對于疏水表面，粗糙程度的增加會增加表面的疏水性能，纖維之間的糾纏抱合也會影響其粗糙程度。

口罩無紡布纖維數量及制備工藝影響血液穿透。熱黏合工藝中，通過將纖維網輸送到兩個熱壓輥之間，利用熱壓輥的壓力與溫度作用，使得纖網中的部分纖維發生熱熔，產生黏合力，冷卻之后形成黏合點[27]。纖維數量的多少影響到口罩無紡布的單位面積質量，從而導致其孔隙率具有一定差異。孔隙的大小與數量的多少一定程度上影響非織造布血液穿透與滲透的能力。

3.3 醫務人員根據實際使用場景合理選擇口罩防護 調查[28]顯示，204名被調查者中，97.5%知道受到血液或體液飛濺時需要佩戴口罩。在重癥監護病房(ICU)、手術室等進行有創操作或患者呼吸道有噴濺物的時候，正確合理的選擇和使用口罩直接關系到醫護人員的生命健康安全[29]。血液噴射過程是以大小不一的球狀液滴呈散射狀飛行，相互獨立，彼此發生碰撞的概率極低，符合人體動脈出血特征[30]。血液到達口罩表面會造成液滴的鋪展與飛濺，不同條件下液滴的速度、角度、落點均存在差異，飛濺的程度也跟血液黏度相關[31]。當血液的噴射距離縮短時，近距離15 cm噴射下，液滴的運動軌跡會更加集中重合，由于液滴在運動過程中會受到空氣阻力與自身重力影響，所以運動距離越長，液滴的落點范圍就更大，當縮短噴射距離后，液滴的落點更加聚集，這樣其穿透與浸潤能力會更強。當血液的噴射壓力增大時，在160 mmHg壓力血液噴射下，血液液滴到達口罩表面的速度增大，液滴具有的動能增大，當撞擊時液滴的擴散能力更強，沿噴射方向的血滴邊緣刺狀突起越多，且衛星狀血跡逐漸增多，拖尾更拉長[32]，血液噴射面積也增大。尤其對于一次性醫用外科口罩，血液在口罩內的流動性更大，受到連續不斷的液滴沖擊迫使其向不同方向進行擴散。測試結果表明，在增大壓力、縮短距離條件下，醫用防護口罩(折疊式)、KN95口罩(拱形)及一次性醫用外科口罩，均可抵抗血液穿透，內層無血液滲透。在長時間60 s(標準0.57 s)高壓噴射極端條件下，KN95口罩(拱形)一個樣品內層出現滲透而失效，考慮是由于工藝的缺陷或者長時間噴射導致液體在某點發生了穿透，由于毛細效應[33]，最終導致血液在內層發生擴散。經研究，本文中三種類型的口罩抗血液滲透能力超出國家標準要求。

本文通過采用高速攝影技術及圖像處理技術，模擬血液噴濺條件，對噴濺血跡進行形態學研究。通過將國家標準中的定性觀測轉化為定量計算血液面積，實現了不同種類、不同形狀、不同使用場景下口罩抗合成血液能力的區分與對比，優化了口罩抗合成血液穿透能力的表征方法。本研究為醫務人員在不同場景下口罩的選擇提供了科學依據，同時也對改進口罩設計及質量穩定性提出新的思路。但由于本研究僅納入了3個常用品牌的3種不同類型的口罩，所得結論不能完全推及所有品牌口罩的防血液穿透性能，所以本研究亦存在一定的局限性。后續可通過增加樣本種類進一步驗證證實。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。