单向阀在医疗器械中防交叉污染的评估

用于防止交叉污染的医疗器械单向阀评估

背景

在当日使用设备（在一天内用于多名患者，且患者之间无需进行再处理）中使用的单向阀旨在减少因患者体液倒流而导致患者间交叉污染的风险。单向阀通常设计为在失效前能够承受较高水平的背压；然而，在医疗器械应用中，它们可能并未被明确设计作为感染控制手段。

方法

将五种不同的医用级单向阀置于低压配置中。在按预期流动方向冲洗后，将噬菌体、细菌或染料置于患者侧持续24小时。随后评估阀门上游设备侧是否存在微生物生长或可见染料。

结果

在测试的不同流体特性范围内，多种单向阀设计均出现了微生物的泄漏（即回流）。

结论

本研究描述了对单向阀（组件级测试）潜在交叉污染的测试。尽管日常使用的医疗器械系统可能采用多种其他因素来防止患者间的交叉污染，但此项工作表明，如果污染液体能够到达单向阀上游侧，则单向阀本身可能无法阻止污染液体的泄漏。

有一类医疗器械，其中的一个或多个组件虽不直接接触患者，但在一整天（例如24小时）内会在多位患者之间重复使用，且在患者之间使用时无需进行再处理。这类日用2-4设备（也称为24小时使用设备）通常在当天使用结束后丢弃。

由于日用设备包含仅间接接触患者的组件（例如，与各种灌流液系统配合使用的管路套装），它们通常连接到直接接触患者的设备，并且通常要么（1）在单个患者使用后丢弃（单患者使用），要么（2）在不同患者使用之间进行适当的再处理。对于此类日用设备，必须采取某些措施以防止患者之间的交叉污染。一种常被整合到日用设备中的设计措施是单向阀，用于防范受污染的患者体液回流的风险。

使用日用设备可降低医疗成本，在输注昂贵药物或医疗工人必须限制其接触某些溶液（例如，放射性同位素）。然而，已有报道称透析患者中发生感染暴发，其中涉及单向阀，5-9表明单向阀可能无法防止患者之间的交叉污染。

目前，尚无既定方法用于评估单向阀在感染控制方面的性能。可能影响单向阀性能的测试参数包括压力大小和波动、使用时长、流速以及流体特性。文献中报道的单向阀性能差异，很可能是由于实验条件不同所致。Ellger 等人2模拟了输注系统中具有临床相关性的压力和流动参数。这些作者观察到，在监测背压升高的测试系统中，未能阻止污染。结果中值得注意的是，所用液体不同，结果存在差异。丙泊酚比0.9% 氯化钠更容易发生失效。Radke 等人3开展的研究表明，在系统中使用两个止回阀可以防止重力式静脉输液附加装置的日间使用系统中的污染。

认识到测试参数依赖于设备系统，我们开发了一种简化的评估测试方法，该方法重点关注作为系统组件的单向阀的功能，以防止被模拟病原体（如染料、细菌、病毒）污染的液体发生回流。

材料与方法

测试阀门和附加硬件

图1展示了选定用于测试的五个单向阀，分别标记为A、B、C、D和E。这些阀门均采用在医疗器械中常见的柔性隔膜式结构。这五种型号的阀门设计略有不同，可能采用由阀体引导的自由浮动圆盘（阀C），或者是在进流侧（阀E）或出流侧（阀A、B和D）以某种方式连接隔膜的结构。进流侧，即上游侧，是阀门接收来自设备（例如泵、重力袋）流体的一侧。出流侧，即下游侧，是阀门允许流向患者的方向为设计流动方向。此类阀门的设计要求在正向流动（即设计流动方向）时需有最小的开启压力才能打开，因此该阀门可视 为常闭。这种阀门的开启压力较小，为< 10mm Hg。每种阀门还规定了最大背压，即阀门失效前能承受的最大压力，通常远高于临床中遇到的背压。阀门A、B、D和E从商业供应商处购买；阀C取自用于医疗用途的重力输液装置。阀门A‐D的体积、直径和长度相似，测试这些阀门时使用了相同的测试体积和直径板。阀E尺寸大得多，需要更大的测试体积、管路和琼脂平板。此外，所有阀门的所有微生物测试均在生物安全柜内进行，以防止任何污染。

染料测试剂

本研究中使用的染料包括：溴酚蓝（Sigma，密苏里州圣路易斯），浓度为1毫克/毫升，溶于蒸馏去离子水中；溴酚蓝，浓度为1毫克/毫升，溶于含25%体积比丙二醇（PG）（Sigma，密苏里州圣路易斯）的水中；以及两种不同的绿色食用色素，均含有FD&C黄5号和FD&C蓝1号，购自当地杂货店，其中一种含有甘油，另一种含有丙二醇（PG）。

初步系统测试

初步实验与 Ellger 等人2使用注射泵对阀门 A 和 B 产生背压的实验类似。测试参数类似于关节镜检查泵灌注系统，代表了一种具有较大且周期性波动背压的挑战性应用。压力变化模拟了由液体堵塞和操作原因引起的临床应用情况，最大约240毫米汞柱。10,11重力袋被用于在循环的低压点产生通过阀门的正向流动，以确保在一些初步测试中阀门短暂打开。重力袋施加的压力约为40 mm Hg。

使用PHD 2000系列注射泵（哈佛仪器，马萨诸塞州霍利斯顿）对阀门进行压力应力测试。在按预期方向用水冲洗阀门后，持续向单向阀的患者侧施加背压，约5分钟，直至压力达到240 mm Hg。保持30秒后，再用30秒重新填充注射器，随后将阀门压力释放至0 mm Hg，并至少维持1分钟。压力通过Millar Mikro‐Tip压力导管和压力传感器（ Millar Instruments，德克萨斯州休斯顿）测量，并使用LabChart 8 软件（ADInstruments，新西兰但尼丁）进行分析。重力袋与注射泵装置配合使用，内含0.9%氯化钠或水。在进行后续染料测试前，对单向阀重复执行10次该循环压力应力过程。通过关闭止流夹使液体保留在阀门及连接管路中，将阀门置于水平、垂直或U形（图2）位置。在患者侧的管路中加入含丙二醇的绿色食用色素，静置24小时，观察是否有染料通过单向阀发生扩散。

静态单向阀U型配置测试

图2显示了简单的静态单向阀测试装置。该装置旨在评估作为系统组件的单向阀本身。采用静态U型结构来测试污染液体可能产生的回流。

垂直悬挂的装置在下游侧引入少量体积（2mL）的污染液体时，可使阀门承受最小的背压。上游侧管路的U型结构确保上游压力为零；因此，阀门应保持测试期间保持关闭。所有测试均在室温下过夜（18‐24小时）进行。

微生物检测方法

Escherichia coli（ATCC 35378）、大肠杆菌 C（ATTC 13706） 和ΦΧ174噬菌体（ATCC 13706‐B1）购自ATCC（弗吉尼亚州马纳萨斯）。 ΦΧ174噬菌体检测所用试剂包括杜尔贝科磷酸盐缓冲液（PBS），不含氯化钙和氯化镁（生命技术公司，纽约州格兰德岛）、营养琼脂 （NA）、营养肉汤（NB）和细菌琼脂（BD，富兰克林莱克斯，新泽西州）。大肠杆菌 和大肠杆菌 C在37摄氏度下于营养肉汤中振荡培养。营养琼脂平板使用含7 g/L细菌琼脂的营养肉汤顶层琼脂。所有微生物检测实验均在生物安全柜内进行，并始终采用无菌技术。研究设计中包含适当的阴性对照，以排除操作过程中可能的污染。

单阀测试与大肠杆菌

采用静态U型配置装置（图2A）进行含或不含含丙二醇的食用色素染料的大肠杆菌挑战试验。用营养肉汤冲洗U型配置装置，直至管路中无可见气泡，关闭旋塞阀，然后将出流侧的100 μL（阀门A、B、C和D）或 500 μL（阀门E）替换为等体积的过夜细菌培养物，或含有10% vol/vol FD&C黄5号和FD&C蓝1号并添加丙二醇的绿色染料的过夜细菌培养物。打开旋塞阀以实现平衡，随后将装置在室温下培养过夜。培养后，目视检查是否有染料泄漏，并收集阀门进流侧的液体：关闭旋塞阀，在阀门上游切断管路，打开旋塞阀，将液体分别滴加到一个100厘米 （阀门A、B、C和D）或两个150厘米（阀门E）的NA平板上。平板在37摄氏度下培养过夜。培养后检查平板上是否存在细菌生长，若发现细菌生长，则表明细菌已通过阀门逆着预期流动方向泄漏（即发生回流）。

单阀测试与噬菌体ΦΧ174

使用图2A所示的静态U型配置装置，用PBS冲洗管路直至无可见气泡，关闭旋塞阀，在出流侧将 100 μL（阀门A、B、C和D）或 500 μL （阀门E）替换为等体积的噬菌体溶液，或含10%体积比绿色染料与 PG的噬菌体溶液，然后打开旋塞阀，整个装置在室温下培养过夜。培养后，目视检查是否有染料泄漏，并收集阀门进流侧的液体：关闭旋塞阀，在阀门的进流侧切断管路，打开旋塞阀，将液体排入1.5 mL聚丙烯试管 （阀门A、B、C和D）或15 mL锥形管（阀门E）。向每个收集管中加入200 μL（阀门A、B、C和D）或 800 μL（阀门E）的大肠杆菌E coli C过夜培养物。将细菌混合液加入2.5 mL（阀门A、B、C和D）或12 mL（阀门E）熔化的顶层琼脂中，涂布于一个100厘米（阀门A、B、C和D）或两个150厘米（阀门E）的NA平板上。平板在37摄氏度下培养过夜。培养后，检查平板上是否存在噬斑，若出现噬斑则表明噬菌体穿过阀门发生了与预期流动方向相反的泄漏（即回流）。

使用噬菌体ΦΧ174的双阀测试

使用图2B所示的U形装置，将两个相同的阀门串联进行测试。冲洗、接种、图2B随后进行了测试。

培养和样品收集与之前单个阀门所述方法相同，不同之处在于从每个阀门的两侧各收集了2个样品（体积1和2），如图2B所示。仅测试了阀门A、B和C。

结果

初步系统测试

在逆流方向施加周期性高压，并使用重力袋进行周期性正向流动，测试的两种阀门（A和B）均显示出明显的扩散现象。初步实验后，后续实验将食用色素染料替换为水中溴酚蓝溶液（1毫克/毫升）。所有测试均为静态测试，阀门处于垂直位置。当使用该染料进行挑战时，经应力作用的A和B阀门均未发生泄漏（即无回流现象）。使用另一厂家含甘油的食用色素染料也未产生阀门泄漏。但再次进行实验时，使用原始的含丙二醇的食用色素染料，则导致经应力作用的阀门发生泄漏。为验证是否是食用色素染料中的丙二醇导致泄漏，分别使用纯水中的溴酚蓝以及添加了25%体积比丙二醇的溴酚蓝溶液对阀门进行测试。单独使用溴酚蓝时未观察到泄漏，但在溴酚蓝中加入丙二醇后则观察到泄漏（数据未显示）。Ellger 等人2指出，含丙泊酚的溶液比仅含生理盐水的溶液更 容易发生泄漏。这些结果强烈表明，在某些条件下，溶液的化学性质可能影响阀门泄漏情况。

最初的实验仅在A和B两个阀门上进行，以评估测试系统。在使用染料进行实验后，决定采用相关的微生物比使用视觉染料测试更具临床相关性。

单阀测试与大肠杆菌

大肠杆菌被选为细菌测试微生物，因为考虑到它经常与医疗相关感染有关，可被视为最不利的情况。使用含PG的绿色染料对加压应力阀门进行的初步实验表明，每当染料通过阀门泄漏时，大肠杆菌也随之泄漏 （数据未显示）。

然后在E coli的静态U型装置中测试了阀门，如图2A所示。结果见表1。有趣的是，有些情况下细菌在24小时后发生泄漏，之后通过平板上的细菌生长得到证实，但在取样时并未观察到可见染料泄漏。研究发现，无论是否存在含丙二醇的绿色染料，Ecoli均通过了全部5种类型的阀门。对于阀门A、B和C，这一点是

阀门	大肠杆菌 无 (%)	大肠杆菌 绿色 (%)	ΦΧ174 无 (%)	ΦΧ174 绿色 (%)
A	100	78	78	100
B	100	100	89	100
C	100	100	100	100*
D	100	100	100	100
E	100	100	100	100

注：含有丙二醇的绿色染料也被添加到不同的微生物中（由“绿色”列指示）。每次实验使用3个阀门装置，每个阀门装置至少重复3次。* 阀C与噬菌体和绿色染料的实验仅进行了1次重复。

当使用溴酚蓝或含25%丙二醇染料的溴酚蓝时也成立（数据未显示）。表1中针对大肠杆菌泄漏的每次实验均使用了3种阀门装置，并且每种阀门装置至少重复进行了3次。对于A型阀，我们观察到在不同装置下泄漏百分比较其他阀门（B、C、D和E型阀） consistently 较低，而其他阀门在存在大肠杆菌时均出现了100%的泄漏。泄漏情况的差异可能与染料的存在或缺失无关，而可能与阀门设计的机械特性相关。

单阀测试与噬菌体ΦΧ174

接下来，使用噬菌体（ΦΧ174）作为测试生物，在静态U型装置中模拟小病毒对单向阀的挑战，该病毒需被动地穿过阀门。

测试装置最初用ΦΧ174培养基冲洗，但由于该培养基含有表面活性剂，因此担心表面活性剂可能与阀门材料相互作用，从而促进ΦΧ174‐染料渗透。为了排除这种可能性，装置仅用磷酸盐缓冲液冲洗，并在不含表面活性剂的营养肉汤中扩增ΦΧ174。

实验结果如ΦΧ174所示，列于表1中，与使用大肠杆菌获得的结果相似，即ΦΧ174在有染料和无染料的情况下也能够穿过所有5种类型的阀门。同样存在ΦΧ174泄漏的情况，后续通过琼脂平板上的噬斑得以证实，但在样品收集时并未观察到可见染料泄漏。噬斑是指在琼脂平板上生长的细菌菌苔中出现的小片透明区域。噬斑表明存在病毒（本实验中为噬菌体ΦΧ174），该病毒会感染细菌并利用其进行复制。我们观察到了与大肠杆菌相似的趋势，如和在表1中所示，A型阀的泄漏百分比较其他阀门（B、C、D和E型阀）更低。

双阀测试与噬菌体ΦΧ174

由于先前的研究表明使用两个单向阀可以防止流体通过阀门回流，3ΦΧ174被用于挑战由两个单向阀串联组成的系统，两个单向阀之间的距离非常短（3 cm）。两个单向阀之间距离较短属于最不利情况，因为穿过第一个单向阀的微生物将非常接近第二个单向阀。在采用图2B所示的静态U型装置进行的双阀测试中，再次使用噬菌体ΦΧ174作为挑战用生物体。

培养后，对含有两个收集样本体积（样本体积1和样本体积2）的平板进行噬斑检查，噬斑表明存在ΦΧ174。样本体积1平板上的噬斑表明 ΦΧ174通过靠近患者侧的单向阀发生泄漏。样本体积2平板上的噬斑表明ΦΧ174通过两个阀门均发生泄漏。对于测试的全部三种阀门类型（阀A、阀B和阀C），无论是否存在染料，该病毒均至少通过设备侧的一个单向阀发生泄漏，这由样本体积2平板上出现噬斑所证实（表2）。该结果表明，使用第二个单向阀防止回流并不可靠，至少在测试条件下如此。

阀门	无染料 噬菌体泄漏 患者侧阀门后（%）	无染料 噬菌体泄漏 设备侧阀门后（%）	绿色染料 噬菌体泄漏 患者侧阀门后（%）	绿色染料 噬菌体泄漏 设备侧阀门后（%）
A	78	11	56	33
B	100	33	67	22
C	100	67	100	100

注：通过涂布体积1后噬斑的存在确定患者侧阀门的泄漏情况。通过涂布体积2后噬斑的存在确定设备侧阀门的泄漏情况。同时在噬菌体中加入含丙二醇的绿色染料（由“绿色染料”列指示）。每次实验使用3组阀门装置，并至少重复3次。D和E阀门未进行测试。

表2展示了使用噬菌体进行的双阀测试 ΦΧ174。在有或无染料的情况下，阀C的泄漏量均为最高，而A型阀在患者侧的泄漏量最少，无论是否存在染料。通过涂布体积2（图2B）测定的A型阀在设备侧的泄漏量，在无染料时再次最低（11%），而在有染料时为33%（第二与B型阀22%的泄漏相比为最低。因此，观察到阀C在泄漏方面表现 consistently 最差，而A型阀则呈现出与表1中单阀设置下观察到的趋势非常相似（泄漏较少）。

讨论

日用设备感染控制的关键在于单向阀控制受污染液体通过单向阀发生泄漏或回流的能力。柔性隔膜型阀门是一种被动装置，当下游压力超过上游压力时，阀门自动关闭。当隔膜或圆盘被压紧在阀体上时，逆流即被阻止，仅允许流体向一个方向流动。

然而，单向阀的设计旨在调节主体流动，而我们的研究结果表明，其可能并未针对感染控制这一预期用途进行专门设计或测试，因为感染控制需要对流体流动实现绝对控制。在从开启到关闭的转换过程中，当流动方向逆转时，可能会有少量体积的流体倒流通过阀门。此外，阀门关闭后的密封依赖于流体背压，该背压可能成为驱动流体通过阀体与柔性隔膜之间间隙的作用力。其结果是，即使阀门在调节主体流体流动方面按设计正常工作，仍有可能发生一定程度的流体泄漏。

病原体通过此类在原本封闭的阀门中开口泄漏的能力和程度可能部分取决于流体特性，例如润湿性、病原体离子电荷和黏度，这从染料传输的差异以及先前研究中丙泊酚与生理盐水之间的差异可见一斑。2,3同样，测试流体特性和挑战剂也会对测试结果产生影响。

此处描述的测试装置可用于评估单向阀或类似防回流功能作为灌注系统中防止交叉污染的主要组件的情况。静态U型配置测试方法模拟了在日常感染控制应用中单向阀可能面临的最低限度的测试条件。我们的结果表明，当污染液体到达阀门的下游侧时，所测试的5种不同单向阀均可能发生模拟污染物在不同流体特性和挑战剂条件下的泄漏。

在评估包含多种旨在防止交叉污染的特性的系统时（包括用于防止交叉污染的单向阀），结果将取决于对影响交叉污染因素的控制。这些因素可能包括背压、用于模拟流体压力和流量周期性变化的压力循环、持续时间、管路方向、流体特性以及测试标记物浓度。2,3采用最差情况参数的测试将有助于更全面地了解日用设备的安全性。由于本研究仅描述了组件级别（即阀门本身）的测试，而非系统级别，因此在日用设备中可能存在许多其他防止交叉污染的因素，例如患者侧的长管路长度或阀门上的压力平衡。4