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棉布口罩防病毒,效果不输N95(DIY攻略请收好)

戴上自制棉布口罩,不仅可以有效防病毒,还能拯救环境。
 
撰文 | 小叶
 
2021年的北半球已快要入伏了,防不胜防的新冠病毒变异株仍然威胁着人类世界,我们不得不继续坚持“防护三件套”:佩戴口罩、保持社交距离和注意个人卫生。
 
在国内,佩戴口罩已成为多数人的日常生活习惯。目前市面上口罩种类繁多,供应充足,一次性防护口罩、防雾霾N90、N95口罩、可水洗重复使用的口罩等等。但在疫情初期,曾有一段时间全球口罩供不应求。那时,有一群科学家,他们想出办法自制口罩,同时还找到了可有效抵挡新冠病毒颗粒的最佳面料。
 
新冠疫情迫使许多人开启居家远程工作模式,科学家们也不例外。Edward Vicenzi是美国史密森尼博物馆保护学院(Smithsonian Museum Conservation Institute,以下简称MCI)的科学家研究员,疫情之前的主要工作是使用各种精密设备检查稀有的古代物品遗迹。Jamie Weaver是美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology,以下简称NIST)的化学家,调查前维京时代瑞典玻璃制品的化学性质。
 
这两位科学家都精通材料研究,在疫情初期,他们和另外两名同在NIST工作的地球大气气溶胶科学家James Radney和Chris Zangmeister组成小队,响应学界和卫生部门号召,发挥自己的专业知识和技能,一边DIY口罩,一边研究可有效抵挡病毒颗粒的口罩面料。
 
2020年,美国疾病预防和控制中心(Centers for Disease Control and Prevention,以下简称CDC)曾在官网上示范并教授3种方法自制简易布口罩。为了增强防护效果,还建议在自制口罩内再佩戴一只一次性外科口罩。
曾经挂在美国CDC官网上的口罩制作步骤。不过每个人动手能力不同,个人DIY口罩的效果参差不齐,且后来市面上口罩供应充足,如今CDC已不再建议自制口罩,也注销了DIY口罩页面。
 
Weaver采用的就是上图所展示的方法。需要使用缝纫机缝合,不过制作过程相当简单:
 
1. 裁剪下两块长方形棉布(床单、旧T恤也可以),长约25厘米,宽约15厘米;
 
2. 将其叠放在一起,上下左右四边向内折叠,然后用缝纫机缝合起来;
 
3. 随后,取两根长橡皮筋,穿过口罩的两条短边并打结,将打好的结塞入边缝中;
 
4. 调整好口罩和橡皮筋的位置后,将口罩贴合面部,固定好口罩形状;
 
5. 最后将橡皮筋与边缝牢固缝合,防止滑动。这样,一个简单的布口罩就制作好了。
 
自制口罩时,Weaver的家族背景发挥了不小的作用,她的姓氏Weaver就是“织布工”的意思。确实,家中祖辈五代人都是缝纫高手,收藏了各类纺织品。这次,Jamie本人踩着自己祖母用过的缝纫机,做了各种面料的口罩,从家中藏品,到工艺品商店淘到的布料。为了加强安全性,Weaver缝了三层布料,还在鼻子附近做了贴片,防止口罩不贴合面部。
图上四位佩戴DIY口罩的科学家最先在期刊上发表了口罩材料研究,从左到右分别是:Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi和Christopher Zangmeister丨来源:NIST
 
布口罩制作过程简单,但要找到防护效果优良的口罩面料并不容易。这也是四人小组研究的重点,他们阅读了不少1918年大流感时期与口罩相关的文章。事实上,也正是1918年大流感的暴发,让口罩从外科医学专用器械走入大众生活。
一篇1919年的文献中描述了当时医护人员佩戴的自制医用口罩,以及口罩的制作方法,CDC给出的方法与之类似。丨来源: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
 
居家令让Vicenzi和Weaver远离了实验室先进的设备。不过,既然DIY口罩难不倒他们,DIY实验室自然也不在话下。他们从沃尔玛超市以每台不到30美元的价格买到了一批简易显微镜。Vicenzi又在网上找到了高分辨率显微镜,可清楚看到布料纤维的细节特征,精度高达2μm。后来团队发表的文章中,不少高清精美的纤维结构微观图正是出自Vicenzi之手。另外,Vicenzi还动手将啤酒冷却器改造成简易加湿器,用胶带将布料固定在上面。所有这些简易的实验设备帮助两位科学家观察并检测各种布料样本的属性:孔隙率、织物经纬密度、织物线厚度和成分等,从而揭示布料如何抵御小小的病毒颗粒。
Vicnezi从去年4月开始动手搭建的居家实验室丨来源:Ed Vicnezi
 
与他俩相比,Radney和Zangmeister要幸运得多,他们获得特殊许可,可以在疫情期间去实验室工作。那段时间,俩人不断往返于Weaver和Vicenzi两人的家,给居家科学家带去一包包布料样本。在单位实验室里,他们以氯化钠模拟新冠病毒,用“神奇喷射瓶”发射不同尺寸的小颗粒或者气溶胶,直径从50纳米到825纳米不等,观察这些颗粒穿透封闭试管中布料的情况,测量布料两面颗粒数量的比例,从而判断每一种布料的过滤效果。
 
很快到了2020年6月,4人小组的成果迅速发表在ACS Nano(《ACS 纳米》)期刊上[1],掀起了不小的关注热潮。据统计,这篇文章上线之后,迄今浏览量已超过了6.4万次,成为该期刊2020年的头条文章。
显微镜下几种防护效果最好的布料放大图像:A. 100%棉,毛巾,B1和B2分别是100%棉,轻质法兰绒的外表面和内表面,C. 100%涤纶,成衣面料,D.100%棉,枕套,E.100% 涤纶短纤丨来源:ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200
 
根据论文描述,这四位科学家选择了32种布料,测量了它们的过滤效率(Filtration efficiency)、压差(differential pressure)、品质因数(quality factor)和结构参数(construction parameters)。同时还与外科手术口罩和N95口罩所使用的7种聚丙烯纤维过滤材料做了对比。结果发现,100%棉法兰绒的病毒颗粒抵御效果表现最佳,且不亚于N95口罩,紧接其后的是机织合成纤维。如果在法兰绒的基础上再添加一至两层过滤层,诸如HEPA(high efficiency particulate air filter)过滤网、咖啡滤布或者其他可捕获微小气溶胶颗粒的材料,口罩的防御能力则更上一层楼。
 
那么,N95口罩是怎么做的呢?N95口罩的原型来自于1958年美国时尚编辑Sara Little Turnbull的女性内衣罩杯设计思路,经过不断改造,最终成型的口罩可以阻挡95%与新冠病毒颗粒大小相当的气溶胶。一般来说,单个病毒颗粒直径约为110纳米,但据Zangmeister的记录,新冠肺炎患者呼气中的病毒团包裹在蛋白质和盐分内,直径最大可达一两微米。工业上制作N95口罩时,会使用熔融吹塑挤压法(melt-blowing extrusion),让N95的塑料纤维变形,如此一来,厚度不一的纤维束混合在一起,形成不同形状及纹理,这一杂乱的混合织里让气溶胶无法通过口罩。
N95口罩内部乱成一团的塑料纤维结构丨来源:Ed Vicenzi
 
Vicenzi团队的结构成像揭示了布口罩不逊于N95口罩的防病毒颗粒机制。像法兰绒这种常见的布料,内部结构介于N95和涤纶之间。尽管其纤维是按照一定模式编织起来的,但仍然非常不规则。这是因为在法兰绒的编织过程中,纤维束会从表面凸起,形成所谓的“绒毛”。研究人员推测,这种毛绒绒的表面不仅给布料提供了柔软的触感,还能像N95口罩一样捕获更多的气溶胶颗粒。Vicenzi表示:“法兰绒就是纺织界的N95。”
效果仅次于N95口罩的法兰绒面料显微结构丨来源:Ed Vicenzi
 
2021年3月8日,团队的第二篇文章发表在ACS Applied Nano Materials(《ACS 应用纳米材料》)期刊上[2],进一步揭示了棉布口罩的另一优势:湿度加强口罩保护效力。
 
他们模拟了人呼吸时的高湿度环境,发现包含新冠病毒的飞沫来袭时,亲水性布料(如纯棉布料)的过滤效果会增强。原理比较容易理解:我们呼气的湿度为100%,棉布口罩又具有吸水性,纤维吸水后大幅膨胀增粗,使微小的内部空间更为狭小,气溶胶愈发难以穿过口罩进入鼻腔。
 
与此相比,N95口罩采用的合成塑料纤维则是疏水的,我们呼出的水汽会凝结在口罩内侧表面。Vicenzi打了个比方:“……就像嗡嗡飞的昆虫撞上了捕蝇网,一接触网的表面就被牢牢困住。”同理,在棉口罩内部极为潮湿的环境中,气溶胶颗粒因吸水而变大,最终而困陷于狭小的空间中。
干湿材料对比之下,棉布口罩的过滤和防护效果模拟图。可见通过干燥织物(a图)的气溶胶颗粒要多于通过潮湿织物(b图)的颗粒丨来源:Hydration of Hydrophilic Cloth Face Masks Enhances the Filtration of Nanoparticles
 
不过,这并不表示佩戴口罩前需要用水浸泡一下,而是说如果你一直佩戴棉布口罩,随着时间延长,口罩内湿润的过滤层会增强病毒防护效果。
 
众所周之,在新冠疫情蔓延之初,是否必须佩戴口罩这一议题,曾在全球引起广泛争议。Vicenzi团队的研究揭示了口罩阻挡病毒颗粒的结构机制,证明了中国一直坚持的做法是正确的:疫情期间,人人都应佩戴口罩,保护自己和他人的健康。
 
而最近发表在Science(《科学》)杂志上的研究[3]也再次从理论上证明了日常生活中佩戴口罩减少新冠病毒传播的观点。在公共环境中,我们都无法避免吸入他人呼出的空气,尤其是在病毒浓度最高的医院,即使是防护效果最高的医用口罩,如果不穿防护服,保持通风,也无法提供足够的保护效力。但在普通人的生活环境中,人们呼出的气溶胶内新冠病毒浓度并不高,属于病毒有限环境(virus-limited regime),只要大家都佩戴口罩,哪怕是最简单的一次性外科手术口罩,就能有效减少可能接触到的病毒,同时也更好地过滤残余病毒,进一步降低感染率。总而言之,若要取得最佳防护效果,患者和健康人都要佩戴好口罩,同时保持良好的通风和社交距离。
在病毒有限环境中,即普通人生活的环境,佩戴口罩和不佩戴口罩的差异,红点代表包含新冠病毒的气溶胶颗粒,而绿点代表不包含病毒的气溶胶颗粒。丨来源:Tinu CA from www.freeicons.io, distributed under CC-BY 3.0.
 
全球抗疫是一个极为复杂的系统性活动,人类行为做出的微小改变,可能会极大改变病毒传播的轨迹和效果。疫情尚未结束,不断突变的新冠病毒随时可能给我们带来新的威胁,待炎夏将息,我们不妨自己动手制作花色合意的棉布口罩,既保护自己,也保护环境。毕竟,科学研究和生活实践都证明了佩戴口罩的实际意义,这确实是我们普通大众对抗疫情的最有力武器之一。
 
原文参考:https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/using-store-bought-microscopes-and-eye-detail-heres-what-smithsonian-scientists-have-learned-about-mask-effectiveness-180977216/
 
参考文献
 
[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



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