崔屹联手诺奖得主朱棣文研究:N95口罩真的能重复用吗?最多能用几次?
Newbee 2020-05-08

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第一作者:Lei Liao

通讯作者:崔屹

通讯单位:美国斯坦福大学

 

核心内容:

185°C以下加热是保持N95级口罩过滤性能的最好办法100°C的高温处理20个周期内未发现过滤效率明显改变。

2紫外线(UV)照射是次要选择,可以反复处理10周期,20个周期后过滤效率出现小幅下降。但是,紫外线可能会影响口罩的材料强度和密封性能。

3作者建议不要使用酒精溶液,氯基溶液或肥皂水等液体来清洁口罩,因为这会导致熔喷布的静电吸附性能大幅下降。

 

研究背景

新型冠状病毒2019(COVID-19)是一种持续性的大流行传染病,截止发稿前全球确诊的病例已经超过370万。该病毒像SARS-CoV一样会通过血管紧张素转换酶2(ACE2)膜蛋白进入人体细胞。该病毒的主要是通过短距离飞沫传播和密闭空间的气溶胶传播。从流感患者那里收集的数据表明,这些气溶胶通常是细颗粒物(<5μm)或粗颗粒物(>5μm)。其中粗颗粒可在1小时内因重力而沉降,而细颗粒,尤其是小于1μm的细颗粒,基本上可以无限期地停留在空气中。对于这种依靠呼吸道传播的疾病,佩戴口罩可以显著减低感染风险。

 

目前广泛使用的N95型口罩对过滤病毒有着不错的效果(注:N95型口罩是美国国家职业安全卫生研究所认证的9种颗粒物防护口罩中的一种,可以对空气动力学直径为0.075µm±0.020µm的颗粒的过滤效率达到95%以上)。然而病毒在全球范围内肆虐传播,导致对N95口罩的需求与日俱增。同时口罩的生产和供应又受到疫情的影响,产能严重不足,最终的结果便是“一罩难求”。为了应对这一困境,对口罩进行消毒,使其实现重复利用,从而可以缓解口罩供应不足的燃眉之急。

 

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成果简介

近日,美国斯坦福大学崔屹教授等人研究了口罩的几种常用消毒方案及其效果,发现在任意湿度(≤100%相对湿度,RH)下加热(≤85°C)是保持口罩中熔喷布和N95口罩过滤性能的非破坏性最好办法。

 

要点1:N95过滤式口罩组成结构

N95过滤式口罩(FFR)由多层聚丙烯无纺布组成(图1A)。在这些夹层中,最关键的是通过熔喷工艺生产的熔喷层,其厚度为100-1000μm,由直径在约1-10μm范围内的聚丙烯微纤维组成,熔喷纤维可以堆叠并形成三维网络,其孔隙度为90%,从而实现高透气性。但是,纤维直径相对较小且空隙空间较大,熔喷织物本身的过滤效率较低(图1D)。为了提高过滤效率并同时保持相同的高透气性,这些纤维通过电晕放电或摩擦起电方式注入电荷后可以显著提高其过滤率效率,而不会增加结构的质量或密度。

 

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1. N95 FFR中的熔喷布。A)多层非织造材料。(B)熔喷布横截面的SEM,厚度约为300μm。(C)复杂而随机取向的纤维网络。(D)熔喷纤维的示意图(左)不带静电,(右)带静电。

 

要点2:探究不同消毒方法对熔喷层性能的影响

尽管该病毒最终将在口罩表面失活,并且不太可能完全渗透到使用者的内侧,但最近的一项研究表明,SARS-CoV-1和SARS-CoV-2病毒的浓度在塑料表面减少3个数量级需要72小时。假设病毒在FFR表面具有相似的寿命,制定有效消毒策略在不降低过滤效率的情况下确保安全重复使用FFR就显得尤为重要。美国疾病预防控制中心推荐了许多消毒或灭菌方法,通常涉及化学,辐射或温度处理。简而言之,细菌和病毒的消毒或灭菌机制包括蛋白质变性(酒精,热量),DNA/RNA破坏(紫外线,过氧化物,氧化剂)和细胞分裂(酚类,氯化物,醛类)。

 

在美国疾控中心推荐的消毒方法中,作者选择了五种常用方式:(1)在任意湿度下加热(SARS-CoV-2在溶液中温度>70°C持续5分钟可热变性);(2)蒸汽(100°C热变性);(3)75%的酒精(病毒变性);(4)家庭稀释的氯基溶液(氧化或化学损害);(5)紫外线杀菌照射(用通量光3.6 J/cm2UV-C可灭活溶液中的SARS-CoV)。

 

1. 不同消毒方法对熔喷层性能的影响。

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使用乙醇和氯基消毒液会使过滤效率急剧降低至56%和73%,其熔层喷的膨松度和结构没有改变,所以性能下降的原因与静电荷减少有关。使用真空干燥才有可能恢复FFR的过滤效率,所以这种消毒方式应当尽量避免。


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2. (A)和(B)分别是75℃加热、水蒸气、和紫外光反复处理后熔喷布的过滤效率和压降变化。

 

经过五次蒸汽处理后,效率急剧下降至80%以下,压降可以保持在8–9 Pa,与酒精和氯基溶液处理相似,这表明性能衰减归因于静电荷的减少。如果蒸汽处理时使纤维上凝结水滴可能会导致电荷减少,所以如果纤维不直接接触到水仅与蒸气接触,则可以减轻静电衰减。

 

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3. 不同的湿度,干燥温度对于过滤性能的影响。

 

作者在85°C下进行了多个湿度实验,均未观察到效率的明显下降(图3A,B)。在85°C,30%RH的条件下,经过50个循环后过滤效率也没有下降(图3C,D)。为了确定加热温度的上限,100°C处理的过滤效率和压降同样没有变化。但是,在125°C时,过滤效率会急剧下降。作者认为高温使聚合物内的微观电荷状态改变,导致某些准稳定极化变为去极化至中性状态。

 

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4. 对熔喷层使用紫外线反复杀菌处理后过滤效率和压降的变化。

 

使用紫外线反复杀菌处理10个周期时,效率没有明显下降。但在20个周期后降低至93%,使其低于N95级标准。尽管紫外线辐射可能会破坏聚丙烯的化学键导致降解,但灭菌的剂量相对较低,所以材料降解缓慢。

 

小结

通常可采用低于100°C加热的办法来保留原始N95口罩的过滤特性,在没有加热条件时,紫外线照射也可以达到同样的效果。使用蒸汽进行消毒需要谨慎,不要使口罩表面凝结水珠,这样会降低过滤效率。最后,作者建议千万不要使用酒精溶液,氯基溶液或肥皂水等液体来清洁口罩,这样会显著降低过滤效率。

 

参考文献

Lei Liao, et al., Can N95 Respirators Be Reused after Disinfection? How Many Times?, ACS Nano 2020

DOI: 10.1021/acsnano.0c03597

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c03597

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