10分鐘掌握四級生物安全實驗室防護區范圍及氣密性要求 醫建干貨

建醫界打造醫院建筑全生命期技術管理，建設適合中國國情的醫院引言四級生物安全實驗室是生物安全防護等級要求高的實驗室，所涉及的病原微生物通常能使人或動物感染嚴重疾病，并有極強的傳染性，發病后缺乏有效的治療措施。防止該類病原微生物從實驗室防護區向周圍環境擴散是確保實驗室生物安全的關鍵措施之一，而實驗室防護區圍護結構氣密性是實驗室與外界環境隔離的物理基礎，是生物安全可靠性的重要保證。目前我國已建成大量三級生物安全實驗室(以下簡稱P3實驗室)及部分四級生物安全實驗室(以下簡稱P4實驗室)，初步積累了該類實驗室的設計、建設和檢測驗收經驗，促進了現行國家標準GB19489-2008(實驗室生物安全通用要求》(以下簡稱GB19489)和GB50346-2011《生物安全實驗室建筑技術規范》(以下簡稱GB50346)的執行力度，但也出現了對P4實驗室防護區范圍和圍護結構氣密性要求的不同觀點和理解。本文對比分析國內外相關標準有關防護區范圍及氣密性要求，結合現有P4實驗室的設計理念和建設要求，探討GB 19489對我國P4實驗室防護區氣密性要求的必要性，并給出相關建議，以期能為我國P4實驗室的建設提供參考。

一.  國內外標準要求   （一）國外標準   加拿大加拿大于2015年3月11日頒布了《加拿大生物安全標準》(第2版)(以下簡稱加拿大標準)，該標準給出了防護區圍護結構氣密性要求和測試方法，驗收評價依據為：對防護屏障進行連續2次的-500 Pa壓力衰減法測試，均應滿足20 min內自然衰減的氣壓小于250 Pa的要求。防護屏障是指防護區內清潔區與污染區的邊界，對P4實驗室而言，人員進出口處的邊界為淋浴間，即內防護服更換間不屬于防護屏障。防護區是指實驗室區域內生物安全風險相對較高，需對實驗室的平面設計、圍護結構的氣密性、氣流，以及人員進入、個體防護等進行控制的區域。防護屏障與防護區的識別至關重要，決定了人員和物品進出口節點設置、氣密門的設置，以及個人防護裝備穿脫位置，一般情況下應在設計階段予以明確。加拿大標準指出，P3和P4實驗室的防護區包括專用實驗室區、獨立動物房、動物小隔間以及專用輔助區域(包括前室，如淋浴間、內防護服更換間和外防護服更換間)。▲圖1 P4實驗室防護區(穿正壓防護服)示例圖2015年3月出版的《加拿大生物安全手冊》(第2版)(以下簡稱加拿大手冊)給出了一個P4實驗室防護區示例圖，如圖1所示。圖中粗線范圍內為防護區，通過前室(如圖中的內防護服更換間、動物／物品前室、雙扉高壓滅菌鍋)與外界連接。可以看出防護區內屬于高風險污染區。人員離開防護區需要經過化學淋浴消毒滅菌，污物離開防護區需要經過雙扉高壓滅菌鍋消毒滅菌，此時防護區外生物安全風險相對較低。美國截至目前尚無生物安全實驗室設計、建設、調試、運行與維護方面統一的國家標準，各生物安全實驗室的建設依據當地的標準或法規。美國《微生物與生物醫學實驗室生物安全》(Biosafetyin microbiological and biomedical laboratory，BMBL)給出了生物安全實驗室設計、建設與運行要求，但BMBL屬于指南，對各實驗室的約束力有限。據不完全統計，在美國注冊登記的高等級生物安全實驗室(P3和P4實驗室)數量從2008年的1 362間上升至2010年的1 495間。美國政府問責局(US GAO)調查了美國高等級生物安全實驗室的建設和管理現狀，發現美國疾病控制中心的P4實驗室曾發生過電力中斷而造成生物防護屏障失效的問題，認為任何一個實驗室都不存在零風險，隨著實驗室數量的增多，風險的積累可能會使國家的總體生物安全風險增加。因此，US GAO分別于2009年和2013年2次向政府相關部門提交報告，強烈建議制訂統一的高等級生物安全實驗室國家標準。BMBL指出，人員退出正壓服型P4實驗室需要依次經過化學淋浴間、內更衣間、淋浴間、外更衣間；對于安全柜型P4實驗室，順序同上，只是少了化學淋浴間。BMBL對P4實驗室防護區圍護結構有密封要求，對氣密性指標及測試方法未予以說明，但在附錄D農業病原微生物安全要求中明確指出了BSL-3-Ag實驗室（三級安全農業實驗室）防護區圍護結構的氣密性要求，推薦測試方法為ARS facilities design manual（美國農業科學研究院建筑設施設計手冊，以下簡稱ARS手冊）的附錄9B給出的壓力衰減法。BMBL的附錄D指出防護區的設計與建設應按一級防護屏障考慮，進入防護區的人員路線包括“潔”更衣間、淋浴問、“污”更衣問，可以看出防護區的邊界在淋浴間。人員離開實驗室(指離開核心工作間)的操作步驟為：脫“污”實驗服、淋浴、穿“潔”實驗服離開高污染風險區；當需要離開該實驗室設施(指離開實驗室區域)時，操作人員將在控制通道進行另一次淋浴，然后穿上自己的衣服離開。ARS手冊附錄9B-4給出了防護區房間或圍護結構的氣密性要求及測試方法，驗收評價依據為連續2次(中間間隔20 min)-500 Pa的壓力衰減法測試均滿足20 min內自然衰減的氣壓小于250 Pa的要求。澳大利亞／新西蘭澳大利亞／新西蘭于2010年9月17日頒布了澳大利亞／新西蘭標準《實驗室安全第三部分：微生物安全與防護》嘲(以下簡稱澳新標準)，該標準第5.5.2節和第6.7.3節分別給出了四級生物安全實驗室(BSL-4實驗室)和動物四級生物安全實驗室(ABSL-4實驗室)的建筑要求，第5.5.2.1條和第6.7.3.1條的c)均指出淋浴間外側門構成了實驗室防護邊界以用于消毒滅菌，第5.5.2.1條和第6.7.3.1條的e)指出雙扉高壓滅菌鍋外側門應開在防護(設施)區外，與防護(設施)區圍護結構一起密封。可以看出澳新標準有關防護區的定義與加拿大標準基本一致。澳新標準在附錄H中給出了防護區圍護結構氣密性要求，指出氣密性要求與病原微生物泄漏風險、空間消毒氣體泄漏風險等因素有關，在H5節給出了防護區圍護結構氣密性要求的確定方法，在H6節給出了實際應用標準要求，對P3和P4實驗室而言，推薦的大泄漏率為10-5m3／(Pa·s)，測試方法為200Pa恒壓法測試，也可以采用-200Pa恒壓法測試。另外，澳新標準指出氣密性測試可以采用壓力衰減法，但不容易滿足要求。   （二）國內標準   GB 19489和GB 50346對P4實驗室防護區定義及氣密性要求有明確規定，如表1所示。▲表1 我國標準有關P4實驗室防護區定義及氣密性要求對表1進行分析可以看出：1）GB 19489和GB 50346對防護區的定義不完全一致，GB 19489明確指出淋浴間、內防護服更換問、防護走廊屬于防護區。2）GB 19489對圍護結構氣密性有要求的是整個防護區，即包括了淋浴間、內防護服更換間、防護走廊，而GB 50346的氣密性要求僅涉及主實驗室。3）GB 19489和GB 50346對P4實驗室圍護結構氣密性測試方法的要求均是-500Pa壓力衰減法，雖然GB 19489在第6.4.8條沒有明確是-500 Pa還是500Pa壓力衰減法，但在附錄A.2.3.1中明確了是負壓測試。有關氣密性正負壓測試問題可參見文獻。   （三）國內外對比分析   1加拿大、美國、澳大利亞／新西蘭標準(以下簡稱加美澳標準)對P4實驗室防護區范圍的界定基本一致，即包括“潔”防護服(即內防護服)更換間、淋浴間、“污”防護服(即外防護服)更換間、化學淋浴間(安全柜型實驗室沒有該房間)、核心工作間。2加美澳標準對P4實驗室防護區氣密性要求的區域基本一致，即包括淋浴間、外防護服更換間、化學淋浴間(安全柜型實驗室沒有該房間)、核心工作間。GB 19489看似多了內防護服更換問，其實該標準只要求外防護服更換間為氣鎖(第6.4.3條)，而在實踐中淋浴間和內防護服更換間通常是一體設計的，所以GB 19489實際上并未提高要求。在氣密性測試及評價方法方面，加拿大、美國的測試及評價方法相同，均采用連續2次-500 Pa壓力衰減法進行評價，而澳大利亞／新西蘭的測試方法為200 Pa恒壓法測試，正負壓測試條件均可，相對來說澳大利亞／新西蘭對氣密性的要求比加拿大、美國偏低。3澳新標準對P3實驗室防護區圍護結構氣密性有恒壓法測試要求。4我國GB 19489對防護區的定義比加美澳標準多了防護走廊，但并未明確定義防護走廊。對防護走廊的理解可參見圖2。防護走廊、外防護服更換間和沐浴問可綜合理解并設計。核心區墻上的傳遞窗或渡槽的另一口端應在防護走廊內。▲圖2 一種減小防護走廊的P4實驗室防護區(粗線區域)布局由于內防護服更換間、淋浴間一般面積較小，且其圍護結構往往只有2道門，氣密性要求相對比較容易實現；但目前實驗室建設的防護走廊一般面積較大，且其圍護結構往往有多道門，有的甚至設置10～20道門，所以問題的焦點在于防護走廊的氣密性要求。GB 19489要求P4實驗室的核心工作間應盡可能設置在防護區的中部(標準第6.4.5條要求。國外標準的要求也是如此)，并不要求防護走廊是環形防護走廊。防護走廊應是核心工作間和輔助工作區之間的屏障，所以在設計時應仔細評估風險及安排防護區布局，避免防護走廊過大而帶來氣密性測試困難。圖2顯示了筆者依據GB 19489第4.4.2條的要求所建議的一種P4實驗室防護區布局，可以看到在該布局中盡量減小了防護走廊的面積。對GB 19489的正確理解是，P4實驗室防護區的建筑質量是相同的，外防護服更換間為氣鎖，淋浴問、內防護服更換間不要求門的氣密性，進人防護區的門應該是氣密性的。GB 19489要求輔助工作區設清潔衣物更換間(更換自己的衣物)和室，人員通過清潔衣物更換間進入P4實驗室防護區。加拿大標準也明確要求人員通過一個專門設置的前室進入P4實驗室的防護區。為了工作方便，我國標準規定可以設置傳遞窗(見圖2)或渡槽，實際上形成了通道，泄漏的概率增加，因此，防護走廊氣密性要求并不是多余的規定，也不存在建筑上或測試上的技術問題。二.  防護區的建設要求及國內現狀   （一）盒中盒設計理念   GB 19489給出的P4實驗室主要包括2種類型：一種是適用于4.4.2的P4實驗室(俗稱安全柜型P4實驗室)，使用Ⅲ級生物安全柜或相當的安全隔離裝置操作致病性生物因子，不要求配備生命支持系統和正壓防護服；另一種是適用于4.4.4的P4實驗室(俗稱正壓服型P4實驗室)，配備生命支持系統和正壓防護服，可使用Ⅱ級生物安全柜或相當的安全隔離裝置操作致病性生物因子，同時具備對正壓防護服進行消毒的化學淋浴間。正壓服型P4實驗室是目前常見、應用廣、防護級別高的一類實驗室。根據目前各國P4實驗室的建設經驗，盒中盒的設計和建設理念被廣泛接受，如圖3所示。▲圖3 P4實驗室平面（布局，盒中盒結構）示意圖盒中盒是立體概念，水平防護可通過防護走廊、功能間等實現，在豎直方向可通過設備層和污水處理層實現，國際上大多數實驗室采用3層或更多層的結構，如圖4所示。圖4所示建筑為3層：中間層為實驗層；下層為污水、污物處理設備層；上層為空調、凈化設備及管道層，其中的空調設備層又做了局部4層。▲圖4 盒中盒豎直方向3層或更多層結構示意圖▲圖5 日本國立衛生研究所安全柜型BSL-4實驗室平面圖圖5為日本國立衛生研究所的安全柜型BSL一4實驗室平面圖，紅色框內區域為加美澳標準規定的防護區，橙色框內區域可視為GB19489規定的防護區．體現了生物安全實驗室的物理屏障和盒中盒的防護理念，明確了生物安全實驗室防護邊界的設置原則，有利于指導實驗室的設計、建設和管理。走廊的優點是便于實驗室之間及與防護區外部功能間的物流往來，提高安全系數。   （二）防護區建設要求   實驗室正常運行時，靠氣壓密封，即所謂動態密封；在故障、停運、熏蒸消毒、事故等時，靠結構的物理密封保證與外界的隔離，即所謂靜態密封。各國標準對防護區圍護結構氣密性要求并未達到絕對不泄漏，某些情況下泄漏難以避免，從安全角度考慮，本著主動防御、增加安全系數的原則，基于我國缺少P4實驗室設計、建設、驗收和運行管理的實際國情，GB 19489增設防護走廊這一次級防護屏障且對其圍護結構氣密性提出要求是必要的。三.  討論   （一）經濟性分析   我國已建成大量P3實驗室及部分P4實驗室，表2給出了兩者投資概算對比分析，表中的ɑ～h為P3實驗室各專業投資額，以其作為基數，i為P4實驗室正壓防護服、化學淋浴間等的投資。▲表2 P3和P4實驗室建設初投資概算對比從表2可以看出，P4實驗室的初投資是P3實驗室的數倍，而P3實驗室建設初投資又是常規實驗室投資的數倍，用巨額投資來形容P4實驗室的建設并不為過。相比較來說，保證P4實驗室防護走廊氣密性的初投資就微不足道了，防護走廊這一次級防護屏障的氣密性對于降低病原微生物外泄風險有事半功倍的效果。特別是在我國，沒有P4實驗室的建設、使用、維護經驗，圍護結構的氣密性本身達不到零泄漏，在建筑材料、施工工藝、施工監理、認可等方面缺少可靠性資料，比如，我國的P4實驗室建設周期相對較短或缺乏對建筑本身的研究，達不到國外一些實驗室自然形變控制的要求等，因此，未知的、不可控的風險依然存在，在這種狀態下，采取相對保守的防護原則是必要的。畢竟，生物安全四級風險是社會不可接受的風險。從我國政府的財政能力看，完全可以負擔更加安全的生物安全實驗室的投資，且符合國家的整體利益和長遠發展的需求。   （二）立足國情   P4實驗室對我國是新生事物，建設者和使用者均無經驗。我國實驗室多為從事疾病控制的綜合性實驗室，所研究的對象不確定性大，因而要求實驗室的適用性廣，為確保安全，GB 19489的要求比國外的同類標準更細致和明確。生物安全四級實驗室源性感染是不可接受的風險，采取相對保守的措施更符合我國國情。應注意，日本的BSL一4是生物安全柜型的細胞或小動物水平的生物安全實驗室，仍采用了有密封要求的環形走廊作為補充防護措施。即便如此，由于民眾的長期反對，該實驗室聲稱從未從事過P4水平的實驗室活動。國外也有部分實驗室不是嚴格按照上述原則建造的，而是通過加強管理達到安全運行的目的，例如采取定期驗證、嚴格限定實驗活動等措施。國外多要求P4實驗室每年進行重新驗證。比如，法國里昂的P4實驗室要求每6個月由生物安全團隊檢測實驗室的氣密性，每年由專業公司進行整個實驗室和各管道的氣密性檢測，從控制成本的角度看，這種方式的運行成本將會大大增加。目前的壓力和泄漏標準只能認為是建筑質量指標，是否足以確保生物氣溶膠或危險氣體不造成危害仍需進一步研究。Pike對3291例實驗室相關感染事件進行了統計，可查明原因的只有18％，原因不明的達82％。在實驗室消毒、送排風系統異常等情況下難以保證防護區內不出現正壓或定向流紊亂，此時，如果防護區圍護結構的氣密性不好就會有較大的安全隱患。從國外P4實驗室的運行實踐看，P4實驗室的事故時有報道，說明國外P4設施或管理方面仍存在較大的安全漏洞，國外的標準并不是“金標準”，在科學上仍存在探索空間。從風險管理的角度看，縱觀歷史上一些重大的生物安全、核安全等災難，對于像P4實驗室這樣的國家重大基礎設施，在財力許可的情況下，應采取保守的風險控制策略。澳新標準對P3實驗室防護區圍護結構的氣密性也有恒壓法測試要求，而我國、美國、加拿大僅對開放飼養動物的P3實驗室有氣密性測試要求，說明圍護結構的氣密性十分重要。一個國家的技術標準與國家整體水平、人員能力、監管模式密不可分，應根據發展水平、風險偏好建立適合自己國情的標準。四.  結論1P4實驗室對我國是新生事物，建設者和使用者均無經驗，未知的、不可控的風險依然存在。生物安全四級風險是社會不可接受的風險。從我國政府的財政能力看，完全可以負擔更加安全的生物安全實驗室的投資，且符合國家的整體利益和長遠發展的需求。在這種狀態下，應采取相對保守的防護原則。2GB 19489對防護區范圍和圍護結構氣密性的要求比國外同類標準或指南文件更細致和明確。在設計P4實驗室時，應仔細評估風險及安排防護區布局，避免防護走廊過大或門過多而帶來氣密性測試困難。GB 19489并未明確定義防護走廊，對防護走廊的理解可參見圖2，防護走廊，外防護服更換間和沐浴間可綜合理解并設計。核心區墻上的傳遞窗或渡槽的另一開口應在防護走廊內。3從國外P4實驗室的運行實踐看，P4實驗室的事故時有報道，說明國外P4設施或管理方面仍存在較大的安全漏洞，統一、適合國情的國家標準和現代的生物安全技術對于高等級生物安全實驗室的建設、運行、維護、管理是非常必要的。4目前我國特別需要積累實驗室設計、建筑材料、施工工藝、施工監理、認可等與P4設施長期運行可靠性相關的資料，而不是急于考慮降低標準的安全要求。*《四級生物安全實驗室防護區范圍及氣密性要求》作者：呂京 王榮 曹國慶建醫界公眾號內回復“生物安全實驗室”，獲取相關標準文件干貨下載往期精彩回顧醫建空中120手術中心建設實踐潔凈項目大會大會新聞實地考察公益咨詢經驗交流干貨醫院感控潔凈用房發展趨勢醫用氣體醫院項目信息關注建醫界了解更多信息江蘇蘇州蘇州市立醫院東區外科病房樓改造項目項目介紹：對外科病房樓一至五層進行整體裝修改造，改造建筑面積約為11298.5平方米，建設內容包括外科病房樓一至五層內部裝飾、電氣、給排水、空調、消防及外立面門窗改造等。