编者：1988年《实验动物管理条例》发布实施，在实验动物工作规范化、法制化管理，保障实验动物和动物实验的质量，推动我国科技发展和民生保障等方面发挥了重要作用。特别是在实验动物资源标准化、新品种/品系开发和动物模型创制方面，取得了令人瞩目的成果。

 

随着国家科技创新对实验动物工作提出的新要求，以及实验动物科技自身发展的需要，实验动物环境设施和运行管理水平有了显著的提升。一些新材料和新装备的出现和在实验动物设施建设中的应用，使其质量和功能有了显著的改善和提升，并逐步向着机械化、节能化、自动化、智能化和网络化方向发展。与此同时，环境设施更加注重节能化，由仅仅满足实验动物生活基本需求逐步转向最大限度地满足实验动物健康和福利的需求。而环境设施的运行管理，朝着规范化和专业化方向发展。但我们也应该看到，我国实验动物设施建设和装备研发中还存在不少的问题，如何正确把握其发展思路、发展方向、发展战略，以及产品定位和行业配套等问题，是需要我们共同面临的挑战。

 

为此，借“科技资讯”之窗，也将陆续邀请有关专家，结合科技创新与发展对实验动物科技工作提出的新要求，探讨在新的发展态势和新的发展模式下，如何推进实验动物设施和装备的发展，以满足生命科学研究的需要。

 

 

 

 

实验动物设施是以研究、试验、教学、生物制品、药品生产等为目的进行实验动物饲育、试验的建筑物、设备的总和。设施应当同时满足舒适性、一致性、安全性、便利性的要求，需要一系列设备作为辅助和支撑。实验动物设施配套设备包括环境控制设备、微生物控制设备、动物饲养设备、后勤保障设备、安全控制设备，等等。近年来，为了顺应国家在环境保护、动物福利、职业防护的政策趋势，实验动物设施配套设备也朝着专业化、自动化、系统化的方向发展。本文试以实验动物设施配套设备为主题，系统化地介绍现有设备和研发进展，并对行业发展趋势进行综述。

 

一、实验动物设施配套设备概述

 

当前的实验动物设施配套设备可以分为环境控制设备、微生物控制设备、动物饲养设备、后勤保障设备、安全控制设备等五大类。

 

（一）环境控制设备

 

环境控制设备应满足实验动物设施的舒适性要求，控制实验室内的气体污染物浓度，保证洁净度、房间压差、温度、湿度等环境参数，并对实验室废气、废水进行处理，减少设施对周边环境影响。

1.通风空调

 

实验动物设施通风空调具有全新风、风量大、控制要求高的特点。采用全新风直流式通风空调系统，保证实验室内空气中的污染物浓度不超标；通风空调必须具备足够风量，保证实验室内部一定的换气次数，以达到屏障环境和隔离环境的不同洁净度要求；控制系统须根据外部环境条件和内部工作负荷快速、准确调整通风空调的风量、冷热量，使实验室环境参数的变化保持在规范允许的范围内。

 

2.空气过滤器

 

普通动物实验室须在空调机组中设置初效、中效两级空气过滤器；屏障和隔离环境须在空调机组中设置初效、中效、亚高效三级空气过滤器，在送风口设置高效空气过滤器。

 

3.排风处理设备

 

实验动物设施排风中含有一定量恶臭气体，其中氨、臭气浓度可能超过国家和地方大气污染物排放标准限值，因此必须处理后排放。常用的废气处理方法有活性炭吸附、化学溶液喷淋塔吸收、UV光分解、臭氧氧化等。

 

4.排水处理设备

 

实验动物设施排水中含有动物排泄物、毛发、洗涤剂、实验试剂、动物组织等，可能引起化学需氧量、生物需氧量、悬浮物、氨氮等指标超标，因此须经过预处理，达到城镇污水处理厂受纳水质标准后排放。常用的为地埋式处理设备，排水量较少的设施也可采用地面式一体化污水处理设备，实验室废液须经过专用的废液分解装置处理。

 

（二）微生物控制设备

 

1.高压灭菌器

 

高压灭菌器安装在物料进入洁净区的通道内，利用压力饱和蒸汽对物料进行迅速而可靠的灭菌，主要用于饲料、垫料、笼具、敷料、器械、器皿等的灭菌及无害化处理。

 

2.低温灭菌器

 

精密仪器、塑料制品等物料无法耐受高温，需要经过低温灭菌设备。常用的有环氧乙烷（EO）低温灭菌器、过氧化氢等离子体（plasma）灭菌器、低温蒸汽甲醛灭菌器（LTSF）。

 

3.渡槽

 

不耐高温的物料也可经过渡槽进入洁净区。渡槽是内部充满消毒药业的水槽，跨在非洁净区和洁净区之间。物料从非洁净区一侧放入，浸泡消毒后从洁净区取出使用。

 

4.传递窗（舱，柜）

 

传递窗（舱，柜）是跨过非洁净区与洁净区的金属箱，内外开有两个互锁的门，通过紫外光、汽化过氧化氢等对不耐高温高压、也不能浸水的物品进行表面消毒。

 

5.消毒机

 

消毒机是对设施内部空间及表面进行消毒的设备，动态消毒可以维持和加强屏障设施内的微生物控制效果，静态消毒用于对（重）新启用的设施进行彻底灭菌。常用的动态消毒设备有汽化过氧化氢消毒机、紫外线消毒机、次氯酸消毒机、过氧乙酸消毒机，静态消毒设备有臭氧消毒机、甲醛熏蒸机等。

 

（三）动物饲养设备

 

1.开放式笼具

 

开放式笼具用于普通级动物饲养，也可放置在屏障环境下作为SPF级动物笼具。笼具应便于统一生产管理、统一清洗消毒、统一分发运送。

 

2.层流架

 

层流架是个小型的屏障单元，根据动物种类，笼箱大小、数量和使用要求确定柜体尺寸，以风机为动力通过滤材净化空气形成层流，用于SPF动物的饲养繁殖或实验，也可用于感染实验。

 

3.独立通风笼盒

 

独立通风笼具（individually ventilated cages，IVC）是指在封闭独立单元（笼盒或笼具）内，送入清洁空气，将废气集中排放出去的，可在超净工作台内操作和饲养SPF实验动物的饲养和实验设备。

 

4.隔离器

 

隔离器是由隔离包、通风净化和控制电器系统组成的隔离环境动物饲育设备。按照压力形式，可分成正压型和负压型两种。正压隔离器用以防止设备外的空气污染设备内环境，通常用于SPF级以上动物的生产、检疫与常规实验；负压隔离器用以防止设备内的空气污染设备外环境，通常用于SPF级以上动物的检疫与感染性实验。

 

（四）后勤保障设备

 

1.清洗设备

 

清洗设备用于对脏的、可再利用的动物护理设施，如笼具、笼架、污物盘、水瓶等，进行彻底清洗、消毒和干燥。常见的清洗设备有隧道式洗笼机、柜式洗笼机、笼具清洗机、水瓶清洗机等。

 

2.垫料添加设备

 

垫料添加设备将垫料定量添加到笼具内的自动化设备，可以与垫料存储待发站之间通过真空管道或者螺旋式推进器相连，实现垫料运输、分装的自动化；还可以与隧道式洗笼机通过传送带对接，实现笼具清洗、供应的自动化。

 

3.废弃垫料收集设备

 

废弃垫料收集设备是对更换下来的废弃垫料进行全自动收集的设备，一般包括垫料倾倒台、运输管道、暂存罐、动力系统等，将废弃垫料的倾倒、运输过程置于负压环境，避免垫料对楼宇内部的污染，并节省垫料更换的人工投入。

 

二、实验动物设施配套设备的研发进展

 

（一）实验动物设施专用尾气处理设备

 

实验动物正常代谢会产生废气，通过实验动物设施的通风系统排出，主要成分是氨、硫化氢、甲基硫醇、三甲胺、苯乙烯、乙醛、二硫化甲基等臭味气体，污染周围环境，威胁周边人群健康。多个实验动物设施监测表明，未经处理的废气排放浓度超过《恶臭污染物排放标准》（GB14554-93）规定。此外实验室动物设施废气中还可能包含病原微生物、可悬浮颗粒物、臭氧等空气污染物。对于实验动物设施排出的高风量、多成份废气，通常的活性炭吸附、水喷淋吸收、紫外光分解等技术都有一定局限性。

 

当前研究报名，采用纳米半导体光催化与气液扰流净化相结合的处理技术可以有效清除实验动物设施。纳米半导体光催化技术是采用MnOx-TiO2复合物作为催化剂，主波长380nm的真空紫外灯管作为催化光源，通过光催化作用产生电子-空穴对，氧化分解气流中的大分子有机物，从而清除病原微生物，使部分难溶于水的臭味分子分解为可溶性小分子。气液扰流净化技术是采用微电解的原理获得喷淋液，通过扰流球的扰动作用形成微涡旋，与向下散布雾化喷淋液充分交融，将废气中的可悬浮颗粒物、光催化分解产物、臭氧、氨、硫化氢等空气污染物由气相转入液相，从而达到净化空气的目的。

 

工艺流程为：将设施排风口排出的废气导入设备，先经过纳米半导体光催化分解，杀灭病原微生物及其气溶胶、分解大分子有机物和臭味气体分子；然后经过气液扰流净化技术，将小分子气体、分解后的有机物和臭气分子、微生物残体、VOCs降解产物、颗粒物等溶解在喷淋液里，彻底清除目标污染物。在充分吸收废气中目标污染物且低于相关废水排放限值时，喷淋液排入市政管网。

 

（二）实验动物废旧垫料收集系统

 

废旧垫料吸收和混杂了实验动物的尿液、粪便、毛发、皮屑、微生物、寄生虫等，是实验动物设施内外污染的主要来源，也严重危害了实验动物及一线工作人员的健康。更换垫料的过程，会导致氨、臭味气体、颗粒物、过敏原的扩散，引起设施内部环境失控。这些污染物通过通风系统排出室外，还会导致外部污染、风管腐蚀、过滤板堵塞等问题。废旧垫料靠人工搬运工作量极大，需要耗费大量的人力资源，而且在运输过程中非常容易污染运输通道或者电梯间，造成污染区域扩大，影响整个楼宇和周边环境。因此，实验动物设施需要设计、安装垫料收集系统，在设施内通过负压屏障倾倒台收集垫料，然后通过管道输送至一楼适当位置或者楼外。按照运输方式的不同，可以分为真空管道垫料收集系统和螺栓式废旧垫料输送系统。

 

真空管道垫料收集系统是一种实验动物废旧垫料倾倒、运输、暂存、打包的全套解决方案及设备，实现了废旧垫料收集的自动化和封闭化。真空管道垫料收集系统包括屏障设施内的负压投料台、布置在楼层间的输送管道和安装在楼外地面的储料桶、动力装置等。还可选配压缩打包系统，将收集的废旧垫料自动投放入压缩打包机，压缩后装袋密封大大减少了垫料所占体积，方便暂存和运输。该系统减轻了人员的劳动强度,杜绝了粉尘和气体污染,保证生产符合GMP要求。系统采用了多重防堵措施和智能化控制系统，确保设备稳定运行。

 

螺栓式废旧垫料输送系统是一种利用电机带动螺旋回转，推移物料以实现输送目的的机械。能够水平、倾斜或垂螺栓式废旧垫料输送系统直输送，具有结构简单、横截面积小、密封性好、操作方便、维修容易、便于封闭运输等优点。螺栓式废旧垫料输送系统的工作原理是旋转的螺旋叶片将物料推移而进行螺旋输送机输送，使垫料不与螺旋输送机叶片一起旋转的力是物料自身重量和螺旋输送机机壳对物料的摩擦阻力。

 

（三）低温灭菌器

 

实验动物设施屏障内各种精密仪器和设备往往因无法耐受高温而不能进行高温灭菌。为了解决这一问题 ,需要低温灭菌器。

 

环氧乙烷低温灭菌器的灭菌机制是与细菌蛋白质分子、酶、核酸中的氨基、羟基、羧基或巯基相结合,对菌体细胞的代谢产生不可逆的破坏 ,从而达到灭菌作用。优点是，环氧乙烷被认为是目前灭菌效果最好的化学灭菌剂 ,可杀灭包括细菌芽孢在内的所有微生物；穿透性强 ,可用于各种难通透部位的灭菌 ,如有些较细、较长的导管；对物品损坏小,对不耐热精密仪器灭菌有着非常广泛的用途；有完善的化学、生物监测手段，从而可以有效地控制灭菌质量,及时发现灭菌失败的包裹。缺点是由于需要较长的通风时间,以去除环氧乙烷的残留,整个灭菌循环时间较长,一般需要10h以上；环氧乙烷有毒,是可疑致癌物, 应将室内空气中的浓度控制在国家规定的标准之内,而且需要定期对周围环境进行检测,对工作人员进行查体与跟踪记录；环氧乙烷易燃易爆,储存和灭菌时绝不能泄漏,必须选择安全的灭菌器,进行安全操作和储存。

 

过氧化氢等离子体灭菌器是通过过氧化氢等离子体的杀菌作用是综合因素所致 ,主要包括温度、紫外光、高能粒子和活性自由基等，其中最主要的可能是活性自由基的作用,即等离子团中的过氧化氢基、羟基等活性物质 ,易与细菌体内的蛋白质和核酸结合 ,破坏其新陈代谢 ,从而起到消毒灭菌作用。优点是系统灭菌速度快,只需55 min左右,不需要解毒时间；可通过气体循环系统将杀死的微生物及残留物带走,不残留毒性物质；最终分解为水和氧气,对环境和医务人员安全。缺点是，过氧化氢等离子体属于氧化性灭菌剂,对物品损伤相对较大，造成医用腔镜的镜头钝化；穿透性弱，吸收性材料,如纤维素、纸、布等均能阻止其穿透，不能用于布、液体、亚麻及铜合金等物品的灭菌；对复杂物品及细长管状物品灭菌的有效性尚不能肯定，部分研究表明，等离子灭菌合格率仅有26.7%。

 

活性氧氧灭菌器通过活性氧发生器产生臭氧、氧自由基等活性氧成分，利用真空原理以提活性氧气体分布和穿透，同时降低活性氧使用浓度以避免对器械的损坏性，采用活性氧分解系统以便在灭菌后彻底消除残留臭氧。臭氧、氧自由基属于强氧化性气体，引入活性氧杀菌因子进行低温灭菌装置设计原理是利用低浓度活性氧气体，在适当真空条件下提高臭氧气体的穿透性和扩散性，通过略高于常温的协同因素进一步加强臭氧气体的杀菌能力，达到对灭菌包内复杂结构的怕热怕湿医疗器械的灭菌作用。该灭菌器基本结构简单，主要组件包括灭菌柜室、真空系统、臭氧发生注入系统、加温加湿系统、臭氧分解系统和程序控制系统。优点是，该系统灭菌速度快 ,只需50 min左右；具备气体分解系统，可快速分解活性氧 ,不残留毒性物质；穿透能力强，杀菌效率高；可用于医用腔镜、布品的灭菌，对物品损伤小；设备能耗低，无需耗材。缺点是，具有脱色、氧化的作用，不能用于带色布料、彩色塑料的消毒，不能对铝制、银质物品灭菌；需要安装排气装置，且对设备耐腐蚀能力要求高。

 

实验动物设施具有常年连续运行、内部环境控制精度高的特点，因此对配套设备提出了更高的要求。随着医药、生物科技和产业的发展，实验动物设备配套设备越来越专业化、智能化、定制化，结合当前的人工智能、VR技术、5G，将会大大改善实验动物操作人员的福利，维持设施内环境的均一性和稳定性。实验动物设施配套设备研发是一个交叉领域，需要多学科协作，多专业配合，更需要学术界和产业界携手，共同开发更多、更好、更实用的创新设备。

 

 

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