聚氯乙烯软质麻醉面罩气垫的抗菌安全及密封性能研究

王水文,邓厚斌,刘晓雯

(上海长征医院,上海 200003)

麻醉面罩属于手术过程中常用的器械之一,其主要作用在于帮助患者吸氧或者吸入麻醉药[1]。麻醉面罩的底部存在一个环形气垫,该气垫与患者面部皮肤直接接触,主要功能在于提高患者的舒适感,并且该环形气垫需要能够与患者面部进行紧密接触,从而保证麻醉面罩的密封性。然而当前很多麻醉面罩气垫存在2个严重问题:第1就是气垫的柔韧性不够,并不能与每位患者的面部进行紧密贴合,从而达不到密封性,且佩戴舒适感不够;第2问题在于麻醉面罩在手术过程中使用,气垫上容易滋生大量细菌,从而影响到手术效果,所以制备一种柔韧性较好、抗菌性能强的麻醉面罩气垫非常重要[2]。

聚氯乙烯(PVC)材料性能优异,在医学领域中广泛使用,其中软质PVC材料作为麻醉面罩气垫的主要原材料,能够具备一定的柔韧性和力学性能,但是作为塑料制品的PVC材料的抗菌性能不够,在使用过程中容易滋生各种微生物,就会造成手术感染等风险[3]。PVC抗菌材料能够实现杀菌和抑菌的效果,降低交叉感染的风险,使得麻醉面罩发挥更好的应用效果。所以文章通过实验分析的方式,制备一种软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料,增强麻醉面罩在使用过程中的舒适感和抗菌性能。

1 气垫PVC材料

PVC属于一种高分子材料,由氯乙烯、过氧化物等材料通过自由基聚合法所制得[4]。在工业生产中,PVC材料主要使用悬浮聚合法进行生产,距今已经有一百多年的生产历史,在各行各业中发挥重要作用,比如可以作为电线电缆、人造革、板材等原材料[5]。在热塑性塑料中PVC的用量和产量长时间位居第一,首要原因在于PVC具有很多优良的特性[6]。

PVC材料具有良好的化学稳定性、绝缘性、阻燃性和力学性能等,因为PVC的链节结构是—CH2CHCI—,其侧链中含有氯元素,该元素能够提供给PVC材料这些性能[7]。但是氯化氢在高温作用下会消失,所以PVC材料经过高温之后其性能会降低。为了解决该问题,可以在PVC材料中添加稳定剂,防止PVC材料性能的降低[8];另外,PVC材料的价格低廉,使其应用范围更广泛。

根据材料的硬度不同,PVC可以分为软质PVC和硬质PVC,其中硬质PVC材料主要在板材、型材等广泛应用。软质PVC材料就是在材料加工过程中添加增塑剂,从而增加材料的断裂伸长率,其主要应用于皮革、纺织品和膜材料等领域,也能够作为麻醉面罩气垫的原材料[9]。软质PVC材料通过加入增塑剂之后就会降低材料的阻燃性能,但作为麻醉面罩气垫的原材料,并不需要较强的阻燃性能。反而由于材料的柔软性,作为麻醉面罩气垫能够提高佩戴舒适度。

麻醉面罩如图1所示,其最下面的部分即为气垫,该部分直接与佩戴者面部接触,通过麻醉面罩可将氧气或麻醉药传输到患者体内,所以气垫的接触面需要很强的密封性,又要保障患者佩戴的舒适度,使用软质PVC材料较合适[10]。当前对软质PVC材料的力学性能研究较多,但由于软质PVC材料应用到麻醉面罩中,需要增加材料的抗菌性能。为此本试验通过加入抗菌剂,分析不同质量抗菌剂对软质气垫PVC抗菌材料性能的影响,制备一种综合性能更加优异的软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料。

图1 麻醉面罩Fig.1 Anesthesia mask

2 实验部分

2.1 实验材料

主要材料有:PVC糊树脂;偏苯三酸三辛酯;稳定剂;增塑剂、纳米抗菌剂等。

2.2 实验仪器

主要仪器:真空搅拌机、烘干箱、差式扫描量热议、扫描电子显微镜、电子天平等。

2.3 软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的制备

为了分析软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的抗菌性能,实验中添加了5种不同质量的抗菌剂;另外,还制备了不添加抗菌剂的材料作为对比项。实验中需要准备的原材料都为6份,相当于需要制备6个试样用于实验研究。

材料准备阶段:100 g的PVC;0.3 g的偏苯三酸三辛酯;不同质量的抗菌剂(包含1.5、3.5、5.5、7.5、9.5 g);2 g稳定剂、60 g增塑剂。然后将不同组分的混合物放入真空搅拌机中进行搅拌,搅拌时间设置为15 min,使其充分搅拌,得到PVC糊料。

糊料制成试样片:将糊料放到模具中,再将其放入烘干箱中进行固化,烘干箱的温度设置为180 ℃,再将每个试样进行压片处理,压片时间设置为3 min,温度为200 ℃,即可得到软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料。

2.4 性能测试

2.4.1抗菌性能测试

检测软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的抗菌性能按照QB/T 2591—2003中的方式[11]进行测试。

2.4.2力学性能测试

检测材料的力学性能使用GB/T 1040—1992中的方式进行,为了获得更加准确的力学性能,每组试样制备3个,然后对3个试样进行力学性能测试,最后取其平均值作为材料的拉伸强度。

2.4.3热力学性能测试

对材料进行热力学性能需要使用到差式扫描量热议,称取一定量PVC抗菌材料,然后将其放到铝盘中进行密封处理,实验需要在氮气氛围中进行[12],最后按照如图2所示的方式进行实验测试。

图2 差式扫描量热议运行程序Fig.2 Differential scanning calorimetry operation program

2.4.4 抗菌材料分散性测试

分散性测试需要使用扫描电子显微镜观察材料的断面,即将试样通过导电胶进行固定,将其表面喷金处理,然后使用扫描电子显微镜观察即可。

3 实验结果与分析

3.1 抗菌剂的分散性

抗菌剂作为软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的关键材料,主要发挥抗菌作用。通过分析抗菌剂的分散性能够明确其在PVC抗菌材料中的效果。首先准备无抗菌剂的试样作为对比,然后准备含有1.5 g抗菌剂的试样,使用扫描电子显微镜观察2类试样的截面,SEM照片如图3所示。

(a)不含抗菌剂的试样

从图3可以看出,不含抗菌剂的试样出现较为严重的颗粒团聚现象,但含有抗菌剂的试样没有出现材质分层现象,且没有固体颗粒团聚现象,属于一种均相结构状态,足以说明在软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料中添加抗菌材料能够具有很好的分散性,所以可以增加软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的抗菌性能。

3.2 不同含量抗菌剂对材料力学性能的影响

抗菌剂作为软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的主要原材料,其含量不同,材料的力学性能也会存在差异。为了制备优质软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料,需要分析不同含量抗菌剂下材料的力学性能,结果如图4所示。

图4 抗菌剂对材料力学性能的影响Fig.4 The influence of antibacterial agents on the mechanical properties of materials

从图4可以看出,当抗菌剂不断增加时,试样的拉伸强度的变化趋势是先增加后降低,当抗菌剂质量为1.5 g时,试样的拉伸强度最大,如果继续添加抗菌剂,将会给试样的力学性能造成负面影响;当抗菌剂质量大于3.5 g时,试样的力学性能还不如不添加抗菌剂的试样。出现这种现象的原因:当在材料中添加抗菌剂时,其分散性能较好,有助于材料的弥散强化,而且抗菌剂还有助于PVC异质成核,使其晶粒细化,能够使材料基体结晶度增强,所以添加少量的抗菌剂时能够提高材料的力学性能[13-15]。但当抗菌剂超过一定量之后,其团聚现象和表面能高的问题就会显现,于是就影响到材料的力学性能,使该性能不断降低。因此,当抗菌剂质量为1.5 g时,材料的力学性能更好。

3.3 不同含量抗菌剂对材料抗菌性能的影响

通过计算软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料的抗菌率来反映抗菌性能。经过一系列的消毒、取菌液、培养等操作,计算了不同抗菌剂含量下的试样抗菌率,得到如表1所示的结果。

表1 抗菌剂含量对材料抗菌性能的影响Tab.1 The influence of antibacterial agent content on the antibacterial performance of materials

从表1可以看出,当材料中不添加抗菌剂时,制备的试样并没有抗菌性能,而添加不同含量的抗菌剂之后,制备的试样均具有比较好的抗菌性能;当添加的抗菌剂含量不断增加时,试样的抗菌性能不断增加,抗菌率最高达到了99.75%,相比于不添加抗菌剂,添加抗菌剂之后,软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料具有较强的抗菌性能。

3.4 热力学性能分析

通过上文的实验分析之后,将抗菌剂的添加量设置为1.5 g更为合适,此时材料的抗菌性能和力学性能均较优。软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料需要具有很好的柔韧性,于是文章将制备好的PVC抗菌材料进行热力学分析。研究表明,玻璃化转变温度越低,能够反映在低温环境下材料的大分子链段能够运动,可以说明材料的柔韧性越好[16-17]。根据该原理,将抗菌剂质量为1.5 g的软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料进行DSC测试,为了形成对比,将没有添加抗菌剂的材料作为对比组,得到如表2所示的玻璃化转变温度。

表2 试样的玻璃化转变温度Tab.2 The glass transition temperature of the sample

从表2可以看出,无抗菌剂的试样玻璃化转变温度为-23.6 ℃,含有1.5 g抗菌剂的试样其玻璃化转变温度为-28.3 ℃,可见含有抗菌剂的试样其玻璃化转变温度小于无抗菌剂的试样,可以说明在PVC材料中加入抗菌剂,不仅能够增加材料的抗菌性能,而且还有助于PVC材料的增塑,能够使得PVC分子链之间灵活移动,使得子链移动减弱,从而说明在PVC材料中加入抗菌剂能够增强其柔韧性,使其作为软质麻醉面罩气垫的材料能够发挥更加优异的性能[18-20]。

4 结语

在医学领域中麻醉面罩属于常见材料,其抗菌性能尤为重要,抗菌性能和其他性能越强,有助于增加手术的成功率。于是文章制备一种软质麻醉面罩气垫PVC抗菌材料,从上文可知,通过在材料中加入抗菌剂,能够很大程度上提高材料的抗菌性能,添加1.5 g的抗菌剂,材料的抗菌剂性能达到了96.15%;而不添加抗菌剂的材料,其抗菌性能为0%。作为麻醉面罩气垫,PVC抗菌材料还需要具备一定的力学性能和柔韧性,所以通过上文分析之后得出当抗菌剂添加量为1.5 g时,材料的力学性能更优。最后对制备好的软质麻醉面罩气垫PVC材料进行了热力学性能分析,得出相比于不添加抗菌剂的试样,添加1.5 g抗菌剂之后,材料的柔韧性有所增加。所以制备的软质麻醉面罩气垫PVC材料的使用能够增强其使用舒适度,并且具有较强的抗菌性能和力学性能。