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N95買不到怎么出門?試試DIY一個(gè)棉布口罩

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溯源守拙·問學(xué)求新?!斗禈恪?,科學(xué)家領(lǐng)航的好科普。
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法蘭絨,紡織界的N95。

撰文 | 小葉

隨著國(guó)內(nèi)防疫政策的開放,某些地區(qū)再次出現(xiàn)藥品和防疫物資供不應(yīng)求的情況,這讓我們想起疫情初期,曾有一段時(shí)間全球口罩供不應(yīng)求。那時(shí),有一群科學(xué)家,他們想出辦法自制口罩,同時(shí)還找到了可有效抵擋新冠病毒顆粒的最佳面料。

新冠疫情迫使許多人開啟居家遠(yuǎn)程工作模式,科學(xué)家們也不例外。Edward Vicenzi是美國(guó)史密森尼博物館保護(hù)學(xué)院(Smithsonian Museum Conservation Institute,以下簡(jiǎn)稱MCI)的科學(xué)家研究員,疫情之前的主要工作是使用各種精密設(shè)備檢查稀有的古代物品遺跡。Jamie Weaver是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology,以下簡(jiǎn)稱NIST)的化學(xué)家,調(diào)查前維京時(shí)代瑞典玻璃制品的化學(xué)性質(zhì)。

這兩位科學(xué)家都精通材料研究,在疫情初期,他們和另外兩名同在NIST工作的地球大氣氣溶膠科學(xué)家James Radney和Chris Zangmeister組成小隊(duì),響應(yīng)學(xué)界和衛(wèi)生部門號(hào)召,發(fā)揮自己的專業(yè)知識(shí)和技能,一邊DIY口罩,一邊研究可有效抵擋病毒顆粒的口罩面料。

2020年,美國(guó)疾病預(yù)防和控制中心(Centers for Disease Control and Prevention,以下簡(jiǎn)稱CDC)曾在官網(wǎng)上示范并教授3種方法自制簡(jiǎn)易布口罩。為了增強(qiáng)防護(hù)效果,還建議在自制口罩內(nèi)再佩戴一只一次性外科口罩。

曾經(jīng)掛在美國(guó)CDC官網(wǎng)上的口罩制作步驟。不過每個(gè)人動(dòng)手能力不同,個(gè)人DIY口罩的效果參差不齊,且后來市面上口罩供應(yīng)充足,如今CDC已不再建議自制口罩,也注銷了DIY口罩頁面。

Weaver采用的就是上圖所展示的方法。需要使用縫紉機(jī)縫合,不過制作過程相當(dāng)簡(jiǎn)單:

1. 裁剪下兩塊長(zhǎng)方形棉布(床單、舊T恤也可以),長(zhǎng)約25厘米,寬約15厘米;

2. 將其疊放在一起,上下左右四邊向內(nèi)折疊,然后用縫紉機(jī)縫合起來;

3. 隨后,取兩根長(zhǎng)橡皮筋,穿過口罩的兩條短邊并打結(jié),將打好的結(jié)塞入邊縫中;

4. 調(diào)整好口罩和橡皮筋的位置后,將口罩貼合面部,固定好口罩形狀;

5. 最后將橡皮筋與邊縫牢固縫合,防止滑動(dòng)。這樣,一個(gè)簡(jiǎn)單的布口罩就制作好了。

自制口罩時(shí),Weaver的家族背景發(fā)揮了不小的作用,她的姓氏Weaver就是“織布工”的意思。確實(shí),家中祖輩五代人都是縫紉高手,收藏了各類紡織品。這次,Jamie本人踩著自己祖母用過的縫紉機(jī),做了各種面料的口罩,從家中藏品,到工藝品商店淘到的布料。為了加強(qiáng)安全性,Weaver縫了三層布料,還在鼻子附近做了貼片,防止口罩不貼合面部。

圖上四位佩戴DIY口罩的科學(xué)家最先在期刊上發(fā)表了口罩材料研究,從左到右分別是:Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi和Christopher Zangmeister丨來源:NIST

布口罩制作過程簡(jiǎn)單,但要找到防護(hù)效果優(yōu)良的口罩面料并不容易。這也是四人小組研究的重點(diǎn),他們閱讀了不少1918年大流感時(shí)期與口罩相關(guān)的文章。事實(shí)上,也正是1918年大流感的暴發(fā),讓口罩從外科醫(yī)學(xué)專用器械走入大眾生活。

一篇1919年的文獻(xiàn)中描述了當(dāng)時(shí)醫(yī)護(hù)人員佩戴的自制醫(yī)用口罩,以及口罩的制作方法,CDC給出的方法與之類似。丨來源:George H. Weaver, Droplet Infection and its Prevention by the Face Mask, The Journal of Infectious Diseases, Volume 24, Issue 3, March 1919, Pages 218–230,https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

居家令讓Vicenzi和Weaver遠(yuǎn)離了實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的設(shè)備。不過,既然DIY口罩難不倒他們,DIY實(shí)驗(yàn)室自然也不在話下。他們從沃爾瑪超市以每臺(tái)不到30美元的價(jià)格買到了一批簡(jiǎn)易顯微鏡。Vicenzi又在網(wǎng)上找到了高分辨率顯微鏡,可清楚看到布料纖維的細(xì)節(jié)特征,精度高達(dá)2μm。后來團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文章中,不少高清精美的纖維結(jié)構(gòu)微觀圖正是出自Vicenzi之手。另外,Vicenzi還動(dòng)手將啤酒冷卻器改造成簡(jiǎn)易加濕器,用膠帶將布料固定在上面。所有這些簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)設(shè)備幫助兩位科學(xué)家觀察并檢測(cè)各種布料樣本的屬性:孔隙率、織物經(jīng)緯密度、織物線厚度和成分等,從而揭示布料如何抵御小小的病毒顆粒。

Vicnezi從去年4月開始動(dòng)手搭建的居家實(shí)驗(yàn)室丨來源:Ed Vicnezi

與他倆相比,Radney和Zangmeister要幸運(yùn)得多,他們獲得特殊許可,可以在疫情期間去實(shí)驗(yàn)室工作。那段時(shí)間,倆人不斷往返于Weaver和Vicenzi兩人的家,給居家科學(xué)家?guī)ヒ话剂蠘颖?。在單位?shí)驗(yàn)室里,他們以氯化鈉模擬新冠病毒,用“神奇噴射瓶”發(fā)射不同尺寸的小顆?;蛘邭馊苣z,直徑從50納米到825納米不等,觀察這些顆粒穿透封閉試管中布料的情況,測(cè)量布料兩面顆粒數(shù)量的比例,從而判斷每一種布料的過濾效果。

很快到了2020年6月,4人小組的成果迅速發(fā)表在ACS Nano(《ACS 納米》)期刊上[1],掀起了不小的關(guān)注熱潮。據(jù)統(tǒng)計(jì),這篇文章上線之后,迄今瀏覽量已超過了6.4萬次,成為該期刊2020年的頭條文章。

顯微鏡下幾種防護(hù)效果最好的布料放大圖像:A. 100%棉,毛巾,B1和B2分別是100%棉,輕質(zhì)法蘭絨的外表面和內(nèi)表面,C. 100%滌綸,成衣面料,D.100%棉,枕套,E.100% 滌綸短纖丨來源:ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200

根據(jù)論文描述,這四位科學(xué)家選擇了32種布料,測(cè)量了它們的過濾效率(Filtration efficiency)、壓差(differential pressure)、品質(zhì)因數(shù)(quality factor)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(construction parameters)。同時(shí)還與外科手術(shù)口罩和N95口罩所使用的7種聚丙烯纖維過濾材料做了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),100%棉法蘭絨的病毒顆粒抵御效果表現(xiàn)最佳,且不亞于N95口罩,緊接其后的是機(jī)織合成纖維。如果在法蘭絨的基礎(chǔ)上再添加一至兩層過濾層,諸如HEPA(high efficiency particulate air filter)過濾網(wǎng)、咖啡濾布或者其他可捕獲微小氣溶膠顆粒的材料,口罩的防御能力則更上一層樓。

那么,N95口罩是怎么做的呢?N95口罩的原型來自于1958年美國(guó)時(shí)尚編輯Sara Little Turnbull的女性內(nèi)衣罩杯設(shè)計(jì)思路,經(jīng)過不斷改造,最終成型的口罩可以阻擋95%與新冠病毒顆粒大小相當(dāng)?shù)臍馊苣z。一般來說,單個(gè)病毒顆粒直徑約為110納米,但據(jù)Zangmeister的記錄,新冠肺炎患者呼氣中的病毒團(tuán)包裹在蛋白質(zhì)和鹽分內(nèi),直徑最大可達(dá)一兩微米。工業(yè)上制作N95口罩時(shí),會(huì)使用熔融吹塑擠壓法(melt-blowing extrusion),讓N95的塑料纖維變形,如此一來,厚度不一的纖維束混合在一起,形成不同形狀及紋理,這一雜亂的混合織里讓氣溶膠無法通過口罩。

N95口罩內(nèi)部亂成一團(tuán)的塑料纖維結(jié)構(gòu)丨來源:Ed Vicenzi

Vicenzi團(tuán)隊(duì)的結(jié)構(gòu)成像揭示了布口罩不遜于N95口罩的防病毒顆粒機(jī)制。像法蘭絨這種常見的布料,內(nèi)部結(jié)構(gòu)介于N95和滌綸之間。盡管其纖維是按照一定模式編織起來的,但仍然非常不規(guī)則。這是因?yàn)樵诜ㄌm絨的編織過程中,纖維束會(huì)從表面凸起,形成所謂的“絨毛”。研究人員推測(cè),這種毛絨絨的表面不僅給布料提供了柔軟的觸感,還能像N95口罩一樣捕獲更多的氣溶膠顆粒。Vicenzi表示:“法蘭絨就是紡織界的N95。”

效果僅次于N95口罩的法蘭絨面料顯微結(jié)構(gòu)丨來源:Ed Vicenzi

2021年3月8日,團(tuán)隊(duì)的第二篇文章發(fā)表在ACS Applied Nano Materials(《ACS 應(yīng)用納米材料》)期刊上[2],進(jìn)一步揭示了棉布口罩的另一優(yōu)勢(shì):濕度加強(qiáng)口罩保護(hù)效力。

他們模擬了人呼吸時(shí)的高濕度環(huán)境,發(fā)現(xiàn)包含新冠病毒的飛沫來襲時(shí),親水性布料(如純棉布料)的過濾效果會(huì)增強(qiáng)。原理比較容易理解:我們呼氣的濕度為100%,棉布口罩又具有吸水性,纖維吸水后大幅膨脹增粗,使微小的內(nèi)部空間更為狹小,氣溶膠愈發(fā)難以穿過口罩進(jìn)入鼻腔。

與此相比,N95口罩采用的合成塑料纖維則是疏水的,我們呼出的水汽會(huì)凝結(jié)在口罩內(nèi)側(cè)表面。Vicenzi打了個(gè)比方:“……就像嗡嗡飛的昆蟲撞上了捕蠅網(wǎng),一接觸網(wǎng)的表面就被牢牢困住?!蓖?,在棉口罩內(nèi)部極為潮濕的環(huán)境中,氣溶膠顆粒因吸水而變大,最終而困陷于狹小的空間中。

干濕材料對(duì)比之下,棉布口罩的過濾和防護(hù)效果模擬圖??梢娡ㄟ^干燥織物(a圖)的氣溶膠顆粒要多于通過潮濕織物(b圖)的顆粒丨來源:Hydration of Hydrophilic Cloth Face Masks Enhances the Filtration of Nanoparticles

不過,這并不表示佩戴口罩前需要用水浸泡一下,而是說如果你一直佩戴棉布口罩,隨著時(shí)間延長(zhǎng),口罩內(nèi)濕潤(rùn)的過濾層會(huì)增強(qiáng)病毒防護(hù)效果。

眾所周之,在新冠疫情蔓延之初,是否必須佩戴口罩這一議題,曾在全球引起廣泛爭(zhēng)議。Vicenzi團(tuán)隊(duì)的研究揭示了口罩阻擋病毒顆粒的結(jié)構(gòu)機(jī)制,證明了中國(guó)一直堅(jiān)持的做法是正確的:疫情期間,人人都應(yīng)佩戴口罩,保護(hù)自己和他人的健康。

2021年5月,一篇發(fā)表在Science(《科學(xué)》)雜志上的研究[3]再次從理論上證明了日常生活中佩戴口罩減少新冠病毒傳播的觀點(diǎn)。在公共環(huán)境中,我們都無法避免吸入他人呼出的空氣,尤其是在病毒濃度最高的醫(yī)院,即使是防護(hù)效果最高的醫(yī)用口罩,如果不穿防護(hù)服,保持通風(fēng),也無法提供足夠的保護(hù)效力。但在普通人的生活環(huán)境中,人們呼出的氣溶膠內(nèi)新冠病毒濃度并不高,屬于病毒有限環(huán)境(virus-limited regime),只要大家都佩戴口罩,哪怕是最簡(jiǎn)單的一次性外科手術(shù)口罩,就能有效減少可能接觸到的病毒,同時(shí)也更好地過濾殘余病毒,進(jìn)一步降低感染率??偠灾?,若要取得最佳防護(hù)效果,患者和健康人都要佩戴好口罩,同時(shí)保持良好的通風(fēng)和社交距離。

在病毒有限環(huán)境中,即普通人生活的環(huán)境,佩戴口罩和不佩戴口罩的差異,紅點(diǎn)代表包含新冠病毒的氣溶膠顆粒,而綠點(diǎn)代表不包含病毒的氣溶膠顆粒。丨來源:Tinu CA from www.freeicons.io, distributed under CC-BY 3.0.

全球抗疫是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)性活動(dòng),人類行為做出的微小改變,可能會(huì)極大改變病毒傳播的軌跡和效果。新冠病毒演化至今的毒株Omicron傳染性極強(qiáng),更需要我們做好防疫三件套,保護(hù)自己和家人朋友的健康。當(dāng)無法購(gòu)買到充足的N95口罩或其他口罩時(shí),我們不妨自己動(dòng)手制作花色合意的棉布口罩,既保護(hù)自己,也保護(hù)環(huán)境。畢竟,科學(xué)研究和生活實(shí)踐都證明了佩戴口罩的實(shí)際意義,這確實(shí)是我們普通大眾對(duì)抗疫情的最有力武器之一。

原文參考:

https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/using-store-bought-microscopes-and-eye-detail-heres-what-smithsonian-scientists-have-learned-about-mask-effectiveness-180977216/

參考文獻(xiàn)

[1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05025

[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c03319

[3] https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1439

[4] https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

評(píng)論
演繹無限精彩!
大學(xué)士級(jí)
新冠演化至今傳染性極強(qiáng),更需要我們做好防疫三件套。當(dāng)無法購(gòu)買到充足的N95口罩或其他口罩時(shí),不妨自己制作花色合意的棉布口罩,既保護(hù)自己,也保護(hù)環(huán)境。
2022-12-12
大偉????♂?
太師級(jí)
疫情期間,人人都應(yīng)佩戴口罩,保護(hù)自己和他人的健康,同時(shí)保持良好的通風(fēng)和社交距離。
2022-12-12
傳承解惑
大學(xué)士級(jí)
口罩阻擋病毒顆粒的結(jié)構(gòu)機(jī)制,證明了中國(guó)一直堅(jiān)持的做法是正確的:疫情期間,人人都應(yīng)佩戴口罩,保護(hù)自己和他人的健康。
2022-12-12