空气屏障技术优化细胞产品处理洁净室：实现低污染与高效人员流动的创新设计与验证

本研究针对再生医学细胞处理设施中传统密闭多室设计导致的高能耗、高成本及人员流动受限问题，创新性地提出半开放式（SO）洁净室概念，通过空气屏障替代物理门体。研究采用计算流体动力学（CFD）模拟与全尺寸模拟实验，对比分析了四种接口配置（普通开口、翼墙、推拉式通风及传统门）的防污染性能。结果显示，推拉式通风系统在人员行走扰动下可将相邻房间颗粒物迁移率控制在0.05%以下，显著优于其他设计。该方案在确保颗粒物控制性能的同时，大幅提升人员流动灵活性并降低HVAC能耗，为再生医学制造提供了经济高效的解决方案。

　　

在再生医学快速发展的今天，细胞治疗产品的生产对洁净环境提出了极高要求。传统细胞处理设施（CPF）通常采用密闭多室设计，通过物理隔离和压力梯度来防止交叉污染。但这种设计就像把工厂分割成无数个小房间——每个房间都需要独立的加热、通风和空调（HVAC）系统，不仅导致能源需求激增、建设成本高昂，更严重的是限制了人员的自由流动。工作人员一旦进入某个房间就很难转移到其他工作区，不得不进行单一任务分配，在物料传递或休息时还会产生物流和人机工程学压力。

面对这一行业痛点，日本东京科学研究所再生医学与干细胞中心的研究团队独辟蹊径，提出了一种革命性的半开放式（SO）洁净室设计方案。他们大胆地去除了细胞处理室（CPR）与相邻走廊之间的物理门体，转而利用单向气流作为屏障来防止污染。这项创新研究最近发表在《Regenerative Therapy》上，为再生医学制造领域提供了兼顾安全性与效率的全新解决方案。

研究人员采用了多学科交叉的研究方法，主要包括计算流体动力学（CFD）模拟和全尺寸模拟实验。他们使用FlowDesigner 2024软件建立了精确的流体力学模型，模拟了900×2000 mm²开口连接的两个房间，恒定送风量为23 m³/min（每小时35次换气）。同时，他们构建了与实际尺寸完全相同的模拟洁净室，采用粒子图像测速（PIV）技术量化气流向量，并通过光学粒子计数器记录0.5μm气溶胶的分布情况。实验特别模拟了人员以1.3 m/s速度通行时产生的1 m/s交叉气流扰动，以评估真实工作场景下的性能表现。

3.1. 人员移动条件下颗粒物迁移的CFD分析

通过CFD模拟，研究人员发现所有布局在无扰动情况下泄漏率均≤0.011%。当引入1 m/s的行走气流模拟人员移动时，推拉式通风系统将流入颗粒物浓度比率控制在0.05%以下，性能比500-mm翼墙提高一倍，明显优于普通开口设计。翼墙面板的存在使气流更加平直，在开口处形成稳定的单向流动，而推拉式通风单元无论安装在哪一侧都能保持较低的走廊浓度。

3.2. 人员退出时的气流向量PIV分析

粒子图像测速结果显示，半开放式布局在没有门的情况下，指向相反方向的向量比例低于传统布局。推拉式系统的COR方向向量比例最低，仅为45.7%，而传统门设计高达64.2%。统计分析表明，所有条件下的气流速度分布都存在显著差异（Bonferroni校正p<0.05），证实了半开放设计在减少相邻房间间气流交换方面的有效性。

3.3. 人员进入时的气流向量PIV分析

在进入情况下，半开放布局（a、b、c条件）与传统门设计（d条件）相比，同样显示出减少向COR方向向量生成的趋势。传统门设计表现出最高的反向向量比例（41.6%），而推拉式系统仅为31.8%。这表明即使在使用频率更高的进入场景中，空气屏障技术仍然保持更好的 containment性能。

3.4. 人员退出时空气中颗粒物浓度动态

颗粒物计数测量提供了最直接的污染控制证据。在5分钟观察期内，推拉式通风系统仅转移了0.013%的颗粒物到相邻房间，性能显著优于其他设计。传统门设计虽然具有物理屏障，但由于开门操作导致气流变化，反而出现了0.365%的颗粒物迁移率。这一结果颠覆了传统认知——物理门并不总是更好的选择。

3.5. 人员进入时空气中颗粒物浓度动态

在进入过程中，由于整个洁净室的空气调节系统产生从COR侧向准备室的气流，颗粒物浓度始终保持较高水平。推拉式系统再次表现出色，将相邻房间颗粒物迁移比例控制在32.8%，而传统门设计为50.0%。有趣的是，普通开口和翼墙设计出现了超过100%的数值，这是由于缺乏阻碍气流的障碍物，导致颗粒物在准备室内积累。

3.6. 移动到相邻房间的颗粒物数量估计

最令人印象深刻的是，即使在最坏情况下——颗粒物从一个准备室通过走廊移动到另一个进行不同制造的相邻准备室，推拉式系统也仅允许0.0043%的细颗粒物迁移。这一极低的值表明，基于空气屏障的技术几乎完全消除了交叉污染的风险。

研究结论与讨论部分指出，这项研究首次定量评估了空气屏障洁净室作为"半开放"设计的性能表现，成功解决了细胞处理设施中平衡交叉污染预防和运营效率的实际难题。推拉式通风方法在退出和进入条件下都展现出最高的密闭性能，成为防止交叉污染的有效替代方案。

值得注意的是，所有条件下的相邻房间颗粒物携带量都极低，大大降低了整体污染风险。CFD分析证明，翼墙的安装和推拉式通风设备的引入显著减少了开口处的颗粒物迁移。在"非操作"条件下，所有系统的颗粒物迁移率都保持在0.011%或以下的极低水平。

与传统方法相比，半开放式布局将指向相邻房间的气流向量频率从64.2%降低到45%-54%范围。这种改善源于半开放布局保持恒定的单向气流，减少了瞬时逆流的可能性，形成了一道有效的"无形空气墙"来分隔清洁区域。

颗粒物测量数据显示，推拉式通风系统在不同条件下的颗粒物迁移率比传统门操作报告的值低几个数量级。理论计算表明，从准备室到走廊再到相邻房间的总迁移率仅为0.0043%，这是一个极其低的值。实际上，即使如此少量的颗粒物迁移到相邻房间，也不太可能穿透空气幕或安全柜等设备。

研究人员也坦诚指出了研究的局限性：一是仅限于模拟设施的物理实验，未在实际环境条件下进行性能评估；二是CFD验证与模拟洁净室实验结果存在差异，CFD模拟可能更加保守地估计了最大颗粒物水平。未来需要在各种设施中进行长期运行测试，并分析实际细胞制造过程中的颗粒物运动。

这项研究的意义远远超出了实验室范围。它为解决再生医学制造业面临的两个关键挑战——能源成本控制和操作灵活性提升——提供了切实可行的解决方案。通过消除物理隔离需求，半开放式洁净室可以显著降低HVAC系统的能耗，同时允许工作人员更自由地移动，从而提高整体运营效率。

随着细胞治疗时代的到来，这种创新设计可能成为新一代生物制造设施的标准配置，为更多患者提供可负担的再生医学治疗选择。空气屏障技术不仅代表着洁净室设计的范式转变，更预示着再生医学制造向更高效、更可持续方向发展的未来趋势。