蜡油润滑剂可降低皮肤和 PPE 之间的剪切力 | 科学报告

https://www.nature.com/articles/s41598-021-91119-0

第一作者：英国牛津大学生理学、解剖学和遗传学系谭政初西南交通大学机械工程学院，成都，中国周雪

通讯单位：英国伦敦帝国理工学院机械工程系

通讯作者：Correspondence to Kian Kun Yap.

研究亮点：

发明了一种可以减少人体皮肤与PBE之间的摩擦与剪切的蜡油润滑剂，为了减少COVID-19医护人员工作时的损伤

成果简介：

本研究的总体目标是开发一种蜡油润滑剂配方，以降低皮肤-PPE 界面的摩擦剪切力。作为其中的一部分，对天然和合成蜡油混合物的润滑性能进行了实验研究。目标是减少摩擦，以帮助减轻在 COVID-19 大流行期间一线医务人员遭受的 PPE 相关皮肤损伤。

创新1：采用蜂蜡橄榄油矿物油混合

蜂蜡矿物油在涂抹四小时后的 CoF 比未润滑的皮肤高 16%（P = 0.0403）。在所有测试的润滑剂中，蜂蜡-橄榄油-矿物油混合物的摩擦力最低，与未润滑的皮肤相比，瞬时和 4 小时 CoF 降低了 87% (P = 0.0006) 和 59% (P = 0.0015)。其瞬时CoF比蜂蜡-矿物油低16%（P = 0.0133），4小时CoF比蜂蜡-橄榄油（P = 0.0386）低27%。

瞬时测试结果 四小时测试结果

创新2：蜂蜡—矿物油在皮肤-PDMS有更低的摩擦和更低的瞬时CoF

蜂蜡-矿物油显示出比蜂蜡-橄榄油混合物更低的瞬时 CoF。这与针对这些油获得的其他结果形成对比，其中两种基础油 (P = 0.6720) 以及两种石蜡基混合物 (P = 0.6605) 的 CoF 值相似。这意味着对于蜂蜡基润滑剂，摩擦机制不受基础油的性质控制，而是受所得蜡油混合物的性质控制，在这种情况下是蜡晶体的形态。如表 1 所示，蜂蜡的酯中含有大量酯基 (O=C-O)，脂肪酸中含有大量羧基 (COOH)。这些极性官能团使蜂蜡对橄榄油具有很强的化学亲和力，橄榄油还含有酯基 (O=C-O) 和羧基 (COOH)。蜂蜡对矿物油显示出弱的化学亲和力，矿物油包含 100% 非极性烃。出于这个原因，蜂蜡中的极性基团更喜欢相互粘附而不是与矿物油结合，而不是在矿物基础油中形成针状形状，蜂蜡晶体倾向于形成球形高度支化的树枝状结构，以最大限度地减少系统稳态时的表面能。蜂蜡和矿物油之间微弱的化学亲和力在制备后几天观察到蜂蜡 - 矿物油混合物的显着渗油进一步证实了这一点，这通过混合物表面不平坦区域的小油池来识别。假设蜂蜡 - 矿物油混合物中的球形晶体在皮肤 - PDMS 界面中充当有效滚子，导致比具有针状晶体结构的蜂蜡 - 橄榄油混合物更低的摩擦。

PDMS测试

创新3：蜡油润滑剂的微观结构在控制CoF方面有很强的作用

在结晶过程中，蜂蜡被极性橄榄油包围时会形成针状结构，被非极性矿物油包围时会形成树枝状结构。当使用这两种油时，可以获得包含针状和树枝状晶体的组合结构，如图 5j 所示。所得晶体的尺寸较小，因为当原子核遇到非极性矿物油分子时针状生长停止，而枝晶生长被极性橄榄油分子破坏。与蜂蜡-橄榄油和蜂蜡-矿物油混合物相比，对于蜂蜡-橄榄油-矿物油混合物观察到的这种减小的晶体尺寸的明显表现是瞬时摩擦减小。假设减小的晶体尺寸有利于蜡中剪切平面的演化，从而导致相对较低的摩擦。晶体形状和尺寸可以作为进一步优化蜡油润滑剂的设计参数。

不同油和蜡微观晶体结构

总结：在研究的润滑剂中，20 wt% 蜂蜡、40 wt% 橄榄油和 40 wt% 矿物油混合物在皮肤-PPE 界面提供最佳的长期（四小时）润滑性。最小 CoF 可以通过具有最佳蜡油比来实现，以平衡保油能力和润滑剂的粘性阻力。蜂蜡较高的热稳定性使其成为比石蜡更好的增稠剂。蜡晶体的形态由混合物中蜡和油之间的化学亲和力决定，在控制 CoF 方面也很重要。蜂蜡-橄榄油-矿物油混合物中的细球形树枝状蜡结构是优选的。蜡油混合物的长期润滑性主要受 PPE 材料吸收油的限制。一种具有成本效益的解决方案是开发对 PPE 材料具有弱亲和力的润滑剂，而不是重新设计 PPE。在所调查的案例中，将橄榄油（其对 PPE 的吸收率低得多）添加到矿物油中会导致润滑剂对 PPE 的吸收率适中，同时保持有利的蜡晶体结构以确保长期的低 CoF .这种优化的润滑剂配方可以减少 COVID-19 医护人员与 PPE 相关的皮肤损伤。

参考文献：

Zhou, N.-Y. et al. Prevention and treatment of skin damage caused by personal protective equipment: Experience of the first-line clinicians treating SARS-CoV-2 infection. Int. J. Dermatol. Venereol. 3, 70–75 (2020).

Zhou, N.-Y. et al. Prevention and treatment of skin damage caused by personal protective equipment: Experience of the first-line clinicians treating SARS-CoV-2 infection. Int. J. Dermatol. Venereol. 3, 70–75 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41598-021-91119-0