呼吸機(jī)用CS改性纖維過濾膜抗菌性能測試與應(yīng)用

摘 要：為提高呼吸機(jī)過濾膜的抗菌性能，提出在傳統(tǒng)的聚乙烯醇PVA中加入殼聚糖CS，制備一種更具抗菌性的呼吸機(jī)纖維膜，以此降低不良事件，對此，研究在傳統(tǒng)的聚乙烯醇中加入殼聚糖，并通過紡絲制備呼吸機(jī)用的過濾材料，從而提高呼吸機(jī)過濾膜的抗菌性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備得到的CS/PVA纖維膜，其在3 h后的細(xì)菌抑制率到52.5%，且達(dá)到90%的濾組。臨床應(yīng)用表明，實(shí)驗(yàn)所用的濾材，對慢阻肺患者的心肺功能有明顯效果，其不良事件明顯降低。

關(guān)鍵詞：聚乙烯醇；細(xì)菌抑制率；呼吸機(jī)過濾膜；慢阻肺；殼聚糖

中圖分類號：TQ325.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0090-04

Antibacterial properties testing and application ofCS modified fiber filter membrane for ventilators

JU Rujin

（Zhuhai Integrated Traditional Chinese and Western Medicine Hospital，Zhuhai 519000，Guangdong China）

Abstract：In order to improve the antibacterial performance of the ventilator filter membrane，the addition of chito?san CS to the traditional polyvinyl alcohol PVA was proposed to prepare a more antibacterial ventilator fiber mem?brane to reduce adverse events. In this study，chitosan was added to the traditional polyvinyl alcohol and the filtermaterial for ventilators was prepared by spinning，so as to improve the antibacterial performance of the ventilator fil?ter membrane. The experimental results showed that the bacterial inhibition rate of the prepared CS/PVA fiber mem?brane reached 52.5% after 3 h，and reached 90% of the filter group. Clinical application showed that the filter mate?rial used in the experiment had a significant effect on the cardiopulmonary function of patients with COPD，and itsadverse events were significantly reduced.

Key words：polyvinyl alcohol；bacterial inhibition rate；respirator filtration membrane；chronic obstructive pulmo?nary disease；chitosan

利用靜電紡絲可以制備出納米級別的、比表面積高的纖維，纖維堆積后的孔徑更小，從而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的過濾性能，通過大幅拉低纖維層濾阻，讓過濾膜的透氣性得以改善 [1-4] 。相較于傳統(tǒng)的過濾濾材，利用靜電紡絲制作濾材的工藝過程無需進(jìn)行靜電駐極，從而節(jié)省了大量能源，以及制作出的濾材具有較低的濾阻和較高的過濾效率，而且濾材的過濾性能維持更長時間。

目前，針對纖維膜的制備，部分學(xué)者利用家用漂白劑氯化靜電紡絲聚酰胺（PA）纖維膜中的酰胺基團(tuán)，使得PA纖維膜生成鹵胺結(jié)構(gòu)，利用該膜材制備出的空氣過濾膜具備可再生抗菌性能，如利用PLA對PVA進(jìn)行改性 [5] 。制備一種更具抗菌性的呼吸機(jī)纖維膜，以此降低不良事件，對此，研究在傳統(tǒng)的聚乙烯醇中加入殼聚糖，并通過紡絲制備呼吸機(jī)用的過濾材料。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及儀器

主要原料：殼聚糖（CS）、聚乙烯醇（PVA）（AR，上海阿拉丁公司）、氫氧化鈉（NaOH）（AR，平湖化工試劑廠）、冰醋酸（AR，上海滬試）。

主要儀器：ME104E電子天平（上海睿士科技有限公司）、X85-2S磁力攪拌器（上海梅穎浦有限公司）、UV3600 紅外光譜儀（日本島津有限公司）、DV2TLV黏度計（美國Brookfield公司）、TSI8130過濾測試儀（TSI公司）。

1.2 CS/PVA納米纖維膜的制備

1.2.1 CS 的堿處理

將適量NaOH和去離子水放入燒杯內(nèi)攪勻，制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的NaOH溶液。稱取1 gCS粉末混入25 mLNaOH溶液中，在100 ℃溫度條件下攪拌均勻，根據(jù)堿處理時間0、12、24、48 h形成4個組別，之后利用乙酸來調(diào)節(jié)溶液酸堿度，經(jīng)過多輪過濾、沖洗處理以后，將過濾出的CS放在60 ℃烘箱內(nèi)持續(xù)干燥16 h。

1.2.2 紡絲溶液的配置和纖維膜的制備

稱取適量CS粉末添加至質(zhì)量分?jǐn)?shù)90%的乙酸水溶液，在40 ℃溫度條件下持續(xù)攪拌，制得CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的混合溶液。稱取適量PVA添加至去離子水中，在100 ℃溫度條件下加熱2 h并持續(xù)攪拌，制得PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的混合溶液。按照質(zhì)量比6∶4分別量取CS溶液和PVA溶液進(jìn)行混勻，利用混合液進(jìn)行靜電紡絲。靜電紡絲的工藝參數(shù)是：環(huán)境溫濕度分別為25 ℃和40%～60%，電壓30 kV，流速1 mL/h，接收距離10 cm。為了便于描述，把堿處理時間0、12、24、48h所對應(yīng)的樣品分別標(biāo)記成0-CS/PVA、12-CS/PVA、24-CS/PVA、48-CS/PVA。

1.3 纖維膜性能測試

1.3.1 過濾性能測試

利用自動濾料測試儀對纖維膜的過濾性能進(jìn)行檢測，能夠確認(rèn)纖維膜的濾阻及過濾效率。在啟動自動濾料測試儀以后，儀器內(nèi)部生成直徑為 0.3 um

（PM 0.3 ）的NaCl氣溶膠顆粒并與空氣摻雜在一起，混合氣體以32 L/min的體積流速從面積為100 cm 2 的纖維膜中流過，由此測定纖維膜的過濾性能。纖維膜的過濾效率 η 1 算式如下：

η 1 =（ε 1 -ε 2 ）/ε 1 ′100% （1）

式中： ε 1 、ε 2 表示纖維膜上、下兩側(cè)的NaCl氣溶膠粒子數(shù)量。

纖維膜的濾阻可根據(jù)纖維膜上、下兩側(cè)的電子壓力傳感器測定的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，用品質(zhì)因數(shù) Q F （單位Pa）來量化評價纖維膜的綜合過濾性能，算式如下：

1.3.2 纖維膜的抗菌性測試

在檢驗(yàn)纖維膜的抗菌性能時，選定的模型菌包括革蘭氏陽性菌、金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌。根據(jù)《抗菌紡織品的評價方法》（AATCC100—2012），讓細(xì)菌充分接觸纖維膜一定時長，從纖維膜上洗脫細(xì)菌，然后對細(xì)菌進(jìn)行培養(yǎng)計數(shù)，計算出實(shí)驗(yàn)組細(xì)菌菌落數(shù)與對照組細(xì)菌菌落數(shù)的比值，據(jù)此判定纖維膜的抗菌性能。在實(shí)操中，將品質(zhì)因子最優(yōu)的纖維膜作為測試樣品，將利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的PVA制成的纖維膜作為對照樣品，把樣品裁剪成 ? 2 cm的圓片，量取體積2 uL、濃度4×10 8 CFU/mL的菌液滴落在圓片上，使之充分接觸1、2、3 h，為了減少菌液蒸發(fā)以及提高細(xì)菌與纖維膜的接觸面積，在纖維膜上覆蓋了一層聚乙烯薄膜。在充分接觸相應(yīng)時間以后，將纖維膜上的菌液洗脫，然后對菌液進(jìn)行稀釋培養(yǎng)，最終分別計算實(shí)驗(yàn)組和對照組的菌落數(shù)量。

式中： C t 和T t 分別表示對照組和測試組所對應(yīng)的菌落數(shù)量。

1.3.3 纖維膜的透光性能測試

利用紫外可見近紅外光譜儀（UV3600）來檢測纖維膜的透光率，檢測光波范圍380～780 nm，纖維膜裁剪為4 cm×4 cm的樣品。

2 結(jié)果與分析

2.1 纖維膜的過濾性能分析

0-CS/PVA、12-CS/PVA、24-CS/PVA、48-CS/PVA納米纖維膜的過濾性能測試結(jié)果，如圖1所示。

由圖1可知，0-CS/PVA納米纖維膜的濾阻和過濾效率在4個組別中都是最低的，而其余經(jīng)過堿處理的12-CS/PVA、24-CS/PVA、48-CS/PVA納米纖維膜的過濾效率均超過99%。同時濾阻也處于較高水平。

值得注意的是，12-CS/PVA及24-CS/PVA納米纖維膜的濾阻低于100 Pa，

2.2 化學(xué)成分表征和黏度分析

不同時間堿處理CS的紅外光譜如圖2所示。

由圖2可知，經(jīng)歷堿處理后的CS在波長3360cm -1附近都出現(xiàn)寬幅的吸收峰，究其成因，—OH與—NH 2在波長3 360 cm -1 附近發(fā)生伸縮振動現(xiàn)象；此外，經(jīng)歷堿處理后的CS在波長2 877、1 587、1 030、579 cm -1 附近也出現(xiàn)了不同寬幅的吸收峰，但引發(fā)吸收峰的原因卻不盡相同。由此判斷，雖然經(jīng)歷的堿處理時長不同，但CS的化學(xué)成分并未發(fā)生顯著變化。

把堿處理后的適量CS添加至90%乙酸溶液，制得用于黏度測試的CS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的混合溶液。經(jīng)測試，純CS溶液（堿處理時間0 h）以及堿處理時間12、24、48h的混合融合的黏度依次為2.37×10 6 、1.00×10 6 、3.75×10 5 、3.55×10 5 mPa × s，這說明隨著堿處理時間的延長，CS溶液的黏度不斷降低；但是當(dāng)堿處理時間超過24 h以后，繼續(xù)延長堿處理時間并不會顯著降低混合溶液的黏度。

2.3 纖維膜的抗菌性能分析

細(xì)菌細(xì)胞膜表面存在負(fù)電荷，CS的質(zhì)子化胺基存在正電荷，當(dāng)細(xì)菌與CS發(fā)生接觸后會激發(fā)靜電交互作用，這會對細(xì)菌細(xì)胞膜造成侵害，最終降低了細(xì)菌活性。選定金黃色葡萄球菌和大腸桿菌作為特征菌，讓特征菌與CS/PVA纖維膜分別接觸1、2、3 h后，分別測定CS/PVA纖維膜的抗菌率，測試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在特征菌與CS/PVA纖維膜接觸2、3 h后，金黃色球菌的抑菌率分別是42.9%、52.5%，這說明CS/PVA纖維膜對于金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出顯著的抗菌性；遺憾的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：CS/PVA纖維膜并未有效抑制大腸桿菌的活性。究其成因，大腸桿菌細(xì)胞膜攜帶的負(fù)電荷要弱于金黃色葡萄球菌，因此當(dāng)大腸桿菌和金黃色球菌共同存在時，CS攜帶的正電荷傾向于與金黃色葡萄球菌攜帶的負(fù)電荷發(fā)生靜電交互作用，導(dǎo)致大腸桿菌在與CS/PVA纖維膜的接觸過程中并未遭遇嚴(yán)重侵害。

2.4 纖維膜的透光性能分析

CS/PVA纖維膜的透光性測試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，利用波長區(qū)間400～800 nm的光波對CS/PVA纖維膜進(jìn)行照射，CS/PVA纖維膜的光波透光率超過了75%，可見CS/PVA纖維膜具備良好的透光性。

2.5 臨床應(yīng)用效果

2.5.1 應(yīng)用對象

（1）研究對象。選擇我院在2021年12月～2023年11月期間接收的82例慢阻肺患者作為樣本。參照《慢性阻塞性肺疾病全球倡議分級》（GOLD分級），7名患者屬于GOLD1級程度，57名患者屬于GOLD2級程度，18名患者屬于GOLD3級程度。在得到我院醫(yī)學(xué)倫理委員會的批復(fù)后，向各位患者講明實(shí)情并與之簽訂知情同意書。

（2）納入標(biāo)準(zhǔn)：①被醫(yī)院確診為慢阻肺病癥；②患者年齡介于18～80歲；③患者有能力獨(dú)自參加步行試驗(yàn)。

（3）排除標(biāo)準(zhǔn)：①妊娠期女性；②患有免疫系統(tǒng)疾病及惡性腫瘤的患者；③慢阻肺疾病已進(jìn)入急性加重期的患者；④患有精神障礙病癥的患者；⑤肝、腎器官衰竭患者；⑥雙下肢存在運(yùn)動障礙患者；⑦嚴(yán)重呼吸衰竭患者；⑧近2月內(nèi)發(fā)生急性心腦血管疾病的患者；

2.5.2 應(yīng)用方法及觀察

（1）應(yīng)用方法。通過隨機(jī)數(shù)分組法把82名患者隨機(jī)均分到2個組別，分別是傳統(tǒng)呼吸機(jī)組和采用本纖維過濾膜的呼吸機(jī)組。實(shí)驗(yàn)前后分別測定患者的酸堿度（pH值）、動脈血二氧化碳分壓（PaCO 2 ）、動脈血氧分壓（PaO 2 ）；

（2）觀察指標(biāo)。血清學(xué)指標(biāo)：在試驗(yàn)前、后都會對2組患者進(jìn)行動脈血?dú)夥治觯纱耸占?組患者在試驗(yàn)前、后的酸堿度（pH值）、動脈血二氧化碳分壓（PaCO 2 ）、動脈血氧分壓（PaO 2 ），即可確定2組患者動脈血?dú)獾淖兓龋处H、ΔPaCO 2 、ΔPaO 2 ，此外，若PaO 2 小于60 mmHg，則診斷患者患有低氧血癥（1 mmHg=0.133 kPa），若PaCO 2 大于45 mmHg，則診斷患者患有高碳酸血癥。主觀不適：慢阻肺患者在靜息狀態(tài)及運(yùn)動狀態(tài)時可能感受到疲勞、呼吸困難、頭暈、頭痛、鼻面部不適等。為了量化評定2組患者的主觀不適，引入了博格（Borg）評分量表進(jìn)行評分，通過對比2組患者在試驗(yàn)前、后的主觀不適Borg評分，即可求得△Borg值；

（3）統(tǒng)計學(xué)分析。利用SPSS25.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2 組對比通過 χ 2 檢驗(yàn)方式實(shí)現(xiàn)，且“P＜0.05”為存在統(tǒng)計學(xué)差異。

3 結(jié)果與分析

3.1 2組別心肺功能指標(biāo)比較

2組別心肺功能指標(biāo)比較，結(jié)果見表1。

由表1可知，本實(shí)驗(yàn)制備的過濾纖維膜組ΔPaCO 2 、ΔpH、ΔPaO 2 相較于傳統(tǒng)呼吸機(jī)纖維膜組存在統(tǒng)計學(xué)意義上的差異（Plt;0.05）；

3.2 2組別不良事件發(fā)生概率比較

2組別不良事件發(fā)生概率比較，結(jié)果見表2。

由表2可知，傳統(tǒng)呼吸機(jī)組患者感到呼吸困難和勞累的概率是53.3%、發(fā)生低氧血癥的概率是43.3%，而本實(shí)驗(yàn)制備的過濾纖維膜組患者感到呼吸困難的概率是83.3%、感到勞累的概率是73.3%、感到頭暈的概率是60.0%。2組之間存在統(tǒng)計學(xué)意義上的差異（P＜0.05）。

4 結(jié)語

呼吸機(jī)中的過濾膜材料不僅要具備良好的過濾效果和抗菌性能，同時還必須具備一定的透光率。通過實(shí)驗(yàn)表明，制備的CS/PVA纖維膜其抑菌率可達(dá)53%，由此表明該纖維膜具有一定的抑菌效果。同時臨床應(yīng)用表明，使用本研究制備的纖維膜不良事件較少，且具有一定的對比價值。

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（責(zé)任編輯：平 海）