《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Personal protective equipment increases inhalation exposure to skin-emitted bio-effluents
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本研究通过计算流体动力学模拟，量化了防护装备下皮肤生物污染物引起的吸入暴露风险，发现PPE会升高呼吸区温度和风速，衣领和袖口是主要泄漏路径，鼻呼吸暴露略高，肺通气量和排放速率增加显著提高暴露水平，腹股沟排放的暴露高于腋下。
贾中健|艾正涛|张晓晨|刘正轩|钟乐轩
中国湖南省长沙市湖南大学土木工程学院建筑环境与能源系
摘要
个人防护装备（PPE）限制了皮肤释放的生物废物的稀释，这可能导致污染物在呼吸区域积聚，从而增加佩戴者的吸入暴露风险。本研究使用乙酸乙酯作为示踪剂，量化了在PPE条件下皮肤释放的生物废物引起的吸入暴露风险。通过计算流体动力学预测了热流体参数的时间和空间分布，并可视化了皮肤生物废物的扩散情况，同时研究了呼吸器官、肺通气率、生物废物排放率和排放位置对吸入暴露的影响。结果表明，与不佩戴PPE的情况相比，佩戴防护服使呼吸区域的平均空气温度升高了0.9°C，空气速度增加了0.09 m/s。颈部和袖口成为皮肤释放的生物废物泄漏的主要途径。与不佩戴PPE相比，防护服导致皮肤生物废物的吸入暴露量增加，其中鼻呼吸的吸入浓度略高于口呼吸。当站立姿势下的肺通气率从6 L/分钟增加到9 L/分钟且采用口呼吸时，相对吸入浓度和相对暴露指数分别增加了30.6%和17.8%。当排放率超过700 μg h?1p?1时，吸入暴露也会显著增加。排放位置对吸入暴露有显著影响。从腹股沟处释放的生物废物导致的吸入暴露明显高于从腋窝处释放的生物废物。这些发现将有助于更深入地理解与人体相关的生物废物，并进一步支持PPE设计的合理改进和有效控制相关污染物。
引言
个人防护装备（PPE），如口罩和防护服，在医疗保健[1,2]、生物制药制造[3]、电子产品制造[3]等先进制造业中得到广泛应用。在手术室或洁净室等受控环境中，PPE通过防止外部污染物进入以及减少自身产生的生物废物（包括细菌、湿气和其他生物排放物）的泄漏，保护佩戴者和周围人员或敏感产品（例如药物和微芯片）。
尽管有这些好处，但人们越来越关注PPE使用的潜在不良影响。在PPE使用者中，呼吸相关问题被广泛报道[5]。由于PPE限制了空气交换，它可能会加剧对自身呼出生物废物的吸入暴露，导致头晕[6]、心率升高[7]、头痛[8,9]、缺氧和二氧化碳潴留[10]。除了呼吸外，人体皮肤也是与人体相关的生物废物的主要来源。由于新陈代谢过程，人体皮肤会不断产生湿气、颗粒物和各种生物化合物，特别是挥发性有机化合物（VOCs）。乙酸乙酯、乙酸、丙酮、2-苯基-2-丙醇、癸醛和非醛是皮肤排放物的主要成分[[11], [12], [13], [14]]。在皮肤释放的VOC化合物中，醇类、醛类和酮类的排放量最大[[11], [12], [13], [14], [15]]。这些排放物在人体各部位的分布不均匀，口腔、腋窝、腹股沟、头部和脚部被认为是主要来源[16]。在皮肤分泌物中检测到了数百种VOCs[17]，其排放率根据环境条件和个人因素（如氧化剂水平、空气温度、相对湿度、穿着的衣物等）的不同而变化，范围从701.4到4450 μg h?1[11,14,18]。
复杂的气流相互作用，包括呼吸引起的流动、热对流流动和背景通风流动，决定了人体附近的暴露水平[21]。防护服减缓了皮肤产生的生物废物的扩散，但在颈部和袖口处留下了开口。身体与周围空气之间的温差产生了向上的气流，而身体运动引起的压力变化将这些生物废物通过这些开口泵送出去。因此，呼吸区域成为皮肤释放的生物废物泄漏的主要途径。一些生物废物扩散到周围环境中，而另一些则留在嘴/鼻子附近，随后被佩戴者吸入。
先前的研究已经考察了在普通服装条件下皮肤产生的生物废物的暴露情况（表1），表明气流相互作用显著影响呼吸区域吸入空气中的浓度。我们之前的工作[22]表明，佩戴面罩会显著增加吸入的皮肤释放生物废物的比例。由于防护服的透气性和透湿性较低，这些生物废物会在服装内部积聚更长时间。PPE使用者通常进行中等至高强度的体力活动，这会增加代谢率，从而增加皮肤产生的生物废物的排放量。稀释作用减弱和排放率增加的结合，提高了吸入暴露的风险。此外，先前的研究[23], [24], [25]表明，由人体排放的化合物形成的反应产物，包括二次有机气溶胶和臭氧-皮肤油副产物，对呼吸系统和眼睛构成潜在风险，并可能增加患病的可能性[26], [27], [28]]。VOCs也是体味的主要来源，可能会刺激感官系统。皮肤释放的污染物比呼出空气中的污染物具有更强的气味强度，可能对居住者的健康、福祉和生产力产生负面影响[9]。尽管存在这些健康问题，但在使用PPE时皮肤产生的生物废物的吸入暴露尚未得到系统评估，PPE在这些生物废物控制方面的有效性仍不清楚。
为了解决这些不足，本研究开发了一个配备口罩和防护服的精细三维计算人体模型。使用计算流体动力学（CFD）结合物种传输模型来研究PPE内部生物废物的扩散和积累情况。该研究分析了呼吸区域的气流、压力、空气温度、相对湿度和生物废物浓度，并研究了呼吸器官、肺通气率、生物废物排放率和排放位置的影响。这些发现旨在增强对与人体相关的生物废物暴露风险扩散的科学理解，并支持PPE设计的合理改进。
计算几何和数值设置
建模了一个尺寸为4 m × 3 m × 2.6 m的全尺寸测试室，采用洁净室、手术室和其他PPE使用环境中常用的置换通风方式。在同一面墙上安装了一个进气口（0.4 m × 0.2 m）和一个排气口（0.4 m × 0.2 m）。进气口位于靠近地面的位置，而排气口位于靠近天花板的位置，如图1(a)所示。新鲜空气以0.2 m/s的速度进入房间，温度为22°C，相对湿度为……（原文此处数据缺失）
时间分布特征
图6展示了PPE使用者呼吸区域内各种热流体参数的时间序列。佩戴口罩降低了呼吸区域的气流速度。然而，防护服显著增加了空气速度，平均速度从0.04 m/s增加到0.13 m/s。这种增加主要是由于防护服内部产生的浮力驱动的气流所致。随着身体持续释放热量，服装内的空气变暖并沿身体上升
PPE的建模边界条件
大多数市售口罩由柔软材料制成，包括熔融吹制聚丙烯和非织造布等[54]。因此，口罩在实际使用过程中会发生变形。此外，市场上的口罩设计种类繁多。现有的数值研究通常将口罩几何形状简化为光滑的半球面[38,55]、尖锐的面部表面[56]或褶皱的尖锐面部表面[37,57]。本研究使用的模型提高了几何逼真度
结论
本研究开发了一套逼真的个人防护装备，包括口罩和防护服。然后应用经过科学验证的数值模型来研究影响吸入自身释放生物废物暴露的因素。可以得出以下结论：
- (1)
佩戴防护服改变了PPE内部和呼吸区域的热流体参数。呼吸区域的平均空气温度升高了0.9°C，平均……
数据可用性
数据可应要求提供。
未引用参考文献
[30,66]
CRediT作者贡献声明
贾中健：撰写——原始草案、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理。艾正涛：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、资金获取、概念构思。张晓晨：可视化、方法论、调查。刘正轩：撰写——审阅与编辑。钟乐轩：撰写——审阅与编辑。
