吳歡 梅享林 ＊ 田興龍

1 湖北省醫(yī)療器械質量監(jiān)督檢驗研究院 （湖北 武漢 430075）

2 成都市新津事豐醫(yī)療器械有限公司 （四川 成都 611430）

內容提要：目的：探究輸液器中不同孔徑止液膜的止液性能。方法：通過理論計算和泡點壓法計算不同孔徑止液膜的止液高度。結果：輸液器孔徑為2.0μm、3.0μm、5.0μm、8.0μm的止液膜止液高度均＞1.9m。結論：采用不同孔徑止液膜的輸液器在臨床使用中均能起到止液作用。

傳統(tǒng)的一次性使用輸液器一般由靜脈針、輸液軟管、藥液過濾器、流速調節(jié)器、滴斗、瓶塞穿刺器、進氣器件組成，患者在輸液完成或者輸液組交替時如未能及時處理，液面低于滴管下的一定高度容易出現(xiàn)回血現(xiàn)象甚至空氣輸入人體，影響患者身體健康，同時也會增加醫(yī)護工作者的工作強度[1]。而普通止液輸液器是依靠藥液的浮力作用使浮標堵住輸液器滴斗，但因輸液藥液不同，其成分、黏度、顆粒含量、密度均有所不同，導致浮標不能與輸液器滴斗無縫隙完全配合，從而達不到自動止液的效果[2]。為此，市面上出現(xiàn)了一種既能過濾藥液，也能自動止液的一次性使用輸液器。

由于藥物的特性以及輸液生產工藝的局限，微粒是輸液不可避免的“成分”，只是不同藥液所含微粒數(shù)量和粒徑大小不一。研究發(fā)現(xiàn)，藥液中存在的微粒通過靜脈輸液進入人體內，隨著血液循環(huán)，最終導致終末動脈堵塞，可能導致急性反應或潛在危險。因此，可根據(jù)藥物特性采用不同孔徑的止液膜，不僅起到藥液過濾的作用，還能防止血液回流。

本文主要研究不同孔徑的止液膜的止液性能，通過理論計算和泡點壓測試法計算不同孔徑止液膜的止液高度，探究其是否滿足臨床需求。

1.止液膜特性

本研究使用的止液膜是高分子材料膜，為聚醚砜材料，它是由浸沒沉淀相轉化法制孔成膜的。將聚醚砜刮涂在支撐體上，然后浸入含有非溶劑的凝固浴中，由于溶劑與溶劑的交換而導致沉淀最終得到的膜，其結構是由傳質和相分離兩者共同決定的，聚醚砜耐化學藥品性能良好，可耐150～160°C的熱水或蒸汽，無毒性，通過美國FDA認證。

止液膜是一種親水微孔材料，通過不同工藝制備不同孔徑的多孔材料膜。止液膜材料的孔與孔之間彎曲相通，在臨床輸液時，因藥液要通過相互交錯的網(wǎng)狀通道，不溶性微粒就被多孔膜過濾，達到過濾效果；在藥液快要輸完時，輸液液面下降到止液膜面，空氣無法從膜進入到下段液柱，藥液在彎曲的通道孔徑中與親水性的止液膜表面間產生了表面張力，在人體血管內靜脈壓、膜的表面作用力和藥液柱的自身重力作用下達到平衡，從而使藥液柱無法繼續(xù)下降，達到自動止液效果。采用快速成像設備在10s內進行成像快速拍照，測試讀取膜的親水角度，見表1及圖1。

表1.止液膜的親水角度

圖1.5ms時止液膜的接觸角

從表1可以看出該膜的親水性非常好，200ms后接觸角為0°，5ms時的接觸角度為36.8°。根據(jù)該膜的親水性可以推算該膜的流通性能是非常好的。

2.試驗樣品來源

本次研究的產品由成都市新津事豐醫(yī)療器械有限公司生產，共涉及四批次產品，樣品信息如下：①一次性使用精密過濾輸液器，帶針（自動止液型）：批號180911、規(guī)格：ZJY005（2）0.7×25TWLB、濾膜孔徑：2μm；②一次性使用精密過濾輸液器，帶針（自動止液型）：批號：180911、規(guī)格：ZJY005（3）0.7×25TWLB、濾膜孔徑：3μm；③一次性使用精密過濾輸液器，帶針（自動止液型）：批號：180911、規(guī)格：ZJY005（5）0.7×25TWLB、濾膜孔徑：5μm；④一次性使用輸液器，帶針（自動止液型）：批號：180911、規(guī)格：ZY021 0.7×25TWLB、濾膜孔徑：8μm。

3.止液高度理論計算

輸液過程中，在藥液快要輸完時，輸液液面下降到止液膜面，空氣無法從膜進入到下段液柱，藥液在彎曲的通道孔徑中與親水性的止液膜表面間產生了表面張力（F），在人體血管內靜脈壓（P2）、膜的表面作用力（F）、藥液柱的自身重力（P1）和大氣壓的作用力（P3）達到平衡，從而使藥液柱無法繼續(xù)下降，達到自動止液效果。見圖2。

圖2.止液膜到輸液針間藥柱的力平衡圖

止液膜止液效果主要是由止液膜孔徑大小、孔隙率、膜厚度來決定的，本研究選擇的止液膜厚度均勻一致，孔隙率為75%左右，止液膜孔徑為2.0μm、3.0μm、5.0μm、8.0μm。

現(xiàn)以2μm孔徑止液膜為例進行理論計算，這時的平衡式見公式（1）。

注：F1為藥液柱的壓力、F3是大氣作用力、F2是人體靜脈壓、F止液膜表面張力。

藥液柱壓力見公式（2）。

人體靜脈壓見公式（3）。

注：R為輸液導管的半徑R=2mm。

止液膜表面張力見公式（4）。

注：r為止液膜的孔徑的平均半徑r=1μm；假如止液膜的孔徑個數(shù)為N個，則：(P1+P3)πR2=2πrYcosαN+P2πR2。

本研究止液膜由供應商提供，該膜的開孔率為75%左右，即：

已知輸液導管半徑為R=2mm，止液膜平均孔徑半徑為r=1μm，則：N=3×106。

該止液膜的接觸角α=35°左右，假設藥液的表面張力和水一樣，即，Y=72.6×0.001N/m。

1m水壓柱產生的壓強為9800Pa，查文獻得人體的靜脈壓在0.49～1.18kPa，正常人一般為P2=0.98kPa=980Pa，經(jīng)計算P1+P3=88.1kPa=88100Pa。

標準大氣壓P3=101.325kPa=101325Pa，則P1=-13.225kPa=-13225Pa。

P1為負值，說明藥液柱不是通過上述4個力來達到平衡的，因此不考慮大氣壓。本研究認為藥液柱在三個力的作用下達到平衡，見圖3。

圖3.止液膜到輸液針間藥柱的力平衡圖

這時的平衡式見公式（5）。

注：F1為藥液柱的壓力、F2是人體靜脈壓、F止液膜表面張力。

藥液柱壓力見公式（6）。

人體靜脈壓見公式（7）。

注：R為輸液導管的半徑R=2mm。

止液膜表面張力公式（8）。

注：r為止液膜的孔徑的平均半徑r=1μm；假如止液膜的孔徑個數(shù)為N個，則：P1πR2=2πrYcosαN+P2πR2。

本研究止液膜由供應商提供，該膜的開孔率為75%左右，即：

已知輸液導管半徑為R=2mm，止液膜平均孔徑半徑為r=1μm，則：N=3×106。

該止液膜的接觸角α=35°左右，假設藥液的表面張力和水一樣，即，Y=72.6×0.001N/m。

1m水壓柱產生的壓強為9800Pa，查文獻得人體的靜脈壓在0.49～1.18kPa，正常人一般為P2=0.98kPa=980Pa。

注：h為止液膜到針頭之間的高度，即止液高度。

經(jīng)理論計算本孔徑為2μm止液膜的止液高度為h=8.9m。

利用上述計算方法計算得出過濾孔徑為3μm的止液膜止液高度為6.02m，孔徑為5μm的止液膜止液高度為3.61m，孔徑為8μm的止液膜止液高度為2.26m。

4.泡點壓法計算止液高度

為進一步驗證不同孔徑止液膜的止液功能，用泡點壓法測試后計算止液膜止液高度。

將止液膜用浸潤性能較好的浸潤液充分潤濕，根據(jù)止液膜材質不同，浸潤液可采用如正己烷、水、乙醇等不同表面張力的液體，在浸潤液表面張力的作用下，浸潤液被束縛在膜的孔隙內；給膜的一側通入氮氣，并通過調節(jié)流量逐漸增大氮氣的壓強，當某刻氣體壓強大于孔隙內被束縛的液體表面張力所產生的壓強時，被束縛在孔徑中的浸潤液將被氣體推出，該孔徑被打開，氣體可自由通過；止液膜的孔徑越小，浸潤液表面張力所產生的壓強也就越高，那么將浸潤液推出所需的氣體的壓強也就要越高；同樣可知，推出孔徑最大的空隙內的浸潤液所需壓強最小，那么孔徑最大的浸潤液將被最先推出，孔徑打開后使氣體自由穿過，然后隨著氣體壓力的逐漸增大，止液膜孔隙中束縛的浸潤液將依照孔徑由大到小依次被推出，使氣體自由穿過，直至所有孔中浸潤液被推出，孔被全部打開，達到與干膜相同的透過率。在泡點壓測試過程中，最先被打開的孔即最大孔徑，被打通時所對應的氣體壓力即為泡點壓力，該壓力所對應的孔徑，即最大孔徑為泡點孔徑；在泡點壓測試過程中，傳感器實時記錄壓力值和流量值，得到壓力-流量關系曲線，見圖4，其中壓力可反映出止液膜孔徑的大小，流量可反映某種孔徑的孔的多少和止液膜上的孔被打開的情況；在浸潤液全部被推出后，可測試出干膜的壓力-流量關系曲線，根據(jù)相應的公式計算得到止液膜的泡點壓力、泡點孔徑、最小孔徑、平均孔徑等相關數(shù)據(jù)。

測試曲線見圖4，用該方法分別測出2μm、3μm、5μm、8μm止液膜泡點壓，即止液膜孔最先被打通時所對應的氣體壓力，流量傳感器檢測到的第一個有效流量信號時對應的壓力。

圖4.泡點壓法測試曲線圖

試驗型號2μm、3μm、5μm、8μm的藥液過濾器（膜材聚醚砜）的藥液膜被浸潤液浸潤后，承受最小壓力所產生氣泡的臨界數(shù)值，即藥液膜的泡點壓力值。泡點壓力即膜孔最先被打通時所對應的氣體壓力，為浸潤液在最大孔徑中的表面張力，液體的表面張力F等于止液液柱產生的壓力。

根據(jù)：P=ρgh算出h=P/ρg，h就是該膜的止液高度。2μm、3μm、5μm、8μm過濾膜泡點壓測試結果見表2。

表2 泡點壓力測試和止液高度計算

5.結果

5.1 理論結果

通過理論計算孔徑為2μm止液膜的止液高度為h=8.9m，孔徑為3μm的止液膜止液高度為6.02m，孔徑為5μm的止液膜止液高度為3.61m，孔徑為8μm的止液膜止液高度為2.26m，以上止液高度遠遠大于設計的止液高度1.9m。

因此從理論上分析，完全可以實現(xiàn)止液，符合臨床使用＞1.9m的設計要求。

5.2 對2μm、3μm、5μm、8μm止液膜泡點壓測試結果

2μm泡點壓力在0.052～0.065MPa，平均值為0.058MPa，相當于約5.89m高度的水柱壓力，即證明其能夠實現(xiàn)5.89m液柱的止液高度。

3μm泡點壓力在0.047～0.052MPa，平均值為0.049MPa，相當于約4.99m高度的水柱壓力，即證明其能夠實現(xiàn)4.99m液柱的止液高度。

5μm泡點壓力在0.035～0.039MPa，平均值為0.0374MPa，相當于約3.81m高度的水柱壓力，即證明其能夠實現(xiàn)3.81m液柱的止液高度。

8μm泡點壓力在0.020～0.025MPa，平均值為0.022MPa，相當于約2.28m高度的水柱壓力，即證明其能夠實現(xiàn)2.28m液柱的止液高度。

用測試泡點壓力的方法計算止液膜的止液高度均＞2.28m，符合臨床使用＞1.9m的設計要求。

6.小結

自動止液輸液器的出現(xiàn)逐漸取代了普通輸液器，在進行臨床輸液過程中，當藥液快輸完時，可以自動止液，能防止空氣進入患者的靜脈，從而降低感染發(fā)生率[2]。自動止液輸液器的止液基于氣壓原理，其不受藥液成分、純凈度等的影響，在人體血管內靜脈壓、膜的表面作用力和藥液柱的自身重力作用下達到平衡，從而使藥液柱無法繼續(xù)下降，達到自動止液效果。

采用理論計算和泡點壓法測試計算輸液器不同孔徑的止液膜的止液高度，對止液膜的止液性能進行計算評估，市面上常見的孔徑為2μm、3μm、5μm、8μm的止液輸液器均能自動止液，滿足臨床使用。后續(xù)將根據(jù)藥液成分不同、輸液針外徑不同、環(huán)境溫濕度不同等進一步研究其對止液膜止液高度的影響，并研究在滿足止液的條件下其過濾性能是否滿足條件。