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新冠肺炎疫情大流行肆虐全球，對(duì)一次性使用的醫(yī)用防護(hù)口罩的需求量仍然龐大。為滿(mǎn)足日益迫切的需求，通過(guò)研究新的技術(shù)方案，使醫(yī)用防護(hù)口罩在經(jīng)過(guò)消毒凈化處理后達(dá)到可重復(fù)使用，是一項(xiàng)重要且有意義的工程技術(shù)。

 

中國(guó)工程院院刊《Engineering》2020年第6期刊發(fā)《N95口罩重復(fù)使用》一文，報(bào)道了運(yùn)用多種工程技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)一次性醫(yī)用防護(hù)N95口罩重復(fù)使用的過(guò)程。文章分別介紹了使N95口罩重復(fù)利用的紫外線(xiàn)輻射、熏蒸、熱水加熱、蒸汽、烘烤等方法，并對(duì)各種技術(shù)方案的成效進(jìn)行了比較。

 

隨著COVID-19在美國(guó)的大流行進(jìn)入第二個(gè)月（2020 年4月），通常只為一次性使用的醫(yī)用防護(hù)口罩這一最簡(jiǎn)單的醫(yī)療用品已經(jīng)供不應(yīng)求?，F(xiàn)在，為了滿(mǎn)足日益迫切的需求，中國(guó)和美國(guó)的工程師正在研究新的技術(shù)方案，使醫(yī)院現(xiàn)有的防護(hù)口罩能夠通過(guò)消毒凈化處理以后，達(dá)到可重復(fù)使用。其中一些技術(shù)方案需要專(zhuān)門(mén)的消毒凈化設(shè)備，但也有一些方法簡(jiǎn)單易行，適合居家操作（圖2）。

 

 

圖2. 北京化工大學(xué)陳建峰教授及其合作者提出的，適用于非醫(yī)療環(huán)境下、家庭使用的口罩“再生處理”技術(shù)方法。來(lái)源：陳建峰教授團(tuán)隊(duì)提供。

 

如何有效殺死病毒？當(dāng)病毒不在人體內(nèi)時(shí)，這不是什么難事。哈佛大學(xué)陳曾熙公共衛(wèi)生學(xué)院流行病學(xué)助理教授Michael Mina說(shuō)：“最簡(jiǎn)單的方法就是帶上口罩，讓病毒在人體外待兩周。我們知道病毒在體外存活不會(huì)超過(guò)十天左右。”然而，這樣一個(gè)緩慢的解決方案并不特別實(shí)用。

 

快速殺滅病毒的方法有5種：輻射、熏蒸、熱水、蒸汽或烘烤病毒。每種方法都可以有效殺死病毒，但并不一定是成功對(duì)口罩進(jìn)行消毒凈化的標(biāo)準(zhǔn)方案。對(duì)于口罩凈化，需要確保在消毒凈化處理后，具有像新口罩一樣具有防護(hù)功能。根據(jù)美國(guó)最大的N95口罩制造商3M公司（Maplewood, MN）的一份技術(shù)公告，好的口罩消毒凈化方法應(yīng)該滿(mǎn)足以下四個(gè)條件：①有效殺滅目標(biāo)微生物，比如引起疫情的COVID-19病毒；②不損壞口罩的過(guò)濾性能；③不影響口罩的適配性；④對(duì)口罩佩戴者是安全的。

 

一些口罩消毒處理方法并不能滿(mǎn)足上述條件。例如，微波爐加熱處理，有可能使口罩材料部分熔化。酒精和漂白劑會(huì)破壞口罩內(nèi)層材料的靜電，而靜電對(duì)于維持口罩的過(guò)濾功能至關(guān)重要。N95過(guò)濾層的孔隙率接近90%，因此纖維需要依靠靜電的幫助以捕獲微小粒子，從而達(dá)到95%以上的過(guò)濾效率。

 

一、紫外線(xiàn)輻射和熏蒸

 

上述五種方法中的第一種——紫外線(xiàn)輻射（UV），目前已被美國(guó)內(nèi)布拉斯加州林肯市的內(nèi)布拉斯加州大學(xué)醫(yī)學(xué)中心使用。他們的技術(shù)方案是將兩個(gè)紫外光源（UVC）組成的輻射塔（每個(gè)輻射塔有8根紫外燈管）置于墻壁涂有反射涂料的房間里。將口罩掛在房間內(nèi)的晾衣繩上進(jìn)行紫外線(xiàn)輻射消毒處理，每個(gè)房間可放置90個(gè)口罩。測(cè)試結(jié)果表明，15 min的紫外線(xiàn)輻射可以殺死病毒。

 

第二種方法是熏蒸。美國(guó)北卡羅萊納州達(dá)勒姆市杜克大學(xué)醫(yī)院已使用由Bioquell公司（位于賓夕法尼亞州霍爾沙姆市）制造的基于過(guò)氧化氫蒸氣的口罩消毒凈化系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)所使用的機(jī)器系統(tǒng)的區(qū)別，過(guò)氧化氫的濃度可以累積到300~750 ppm（1 ppm=1×10−6），并保持20 min。該方法最耗時(shí)的部分是脫氣流程；通常需要4 h以后，口罩凈化室的氣體濃度才能達(dá)到安全范圍。但此后的口罩使用是安全的，過(guò)氧化氫能夠分解成氧氣和水。使用Bioquell Z-2過(guò)氧化氫蒸氣發(fā)生器（圖4），杜克大學(xué)醫(yī)院每批次可對(duì)1250個(gè)口罩進(jìn)行消毒凈化，每12 h可消毒凈化2500個(gè)口罩。

 

 

圖4. 使用Bioquell公司（位于賓夕法尼亞州霍爾沙姆市）的過(guò)氧化氫蒸氣發(fā)生器，杜克大學(xué)醫(yī)院的工作人員每批次可對(duì)1250個(gè)口罩進(jìn)行消毒凈化，每12 h可消毒凈化2500個(gè)口罩，以供重復(fù)使用。Battelle （位于俄亥俄州哥倫布市）制造和運(yùn)營(yíng)的放大版本的口罩消毒凈化系統(tǒng)，每天可以對(duì)8萬(wàn)個(gè)口罩進(jìn)行消毒凈化處理，足夠供應(yīng)多家醫(yī)院及醫(yī)院系統(tǒng)的口罩重復(fù)使用。來(lái)源：杜克大學(xué)，經(jīng)許可。

 

但紫外線(xiàn)和過(guò)氧化氫方法所需的設(shè)備，并非是所有醫(yī)院已有的。Mina說(shuō)：“全球范圍內(nèi)口罩資源短缺令人擔(dān)心，對(duì)其進(jìn)行有效的重復(fù)使用將具有重要意義。我會(huì)鼓勵(lì)我的同事考慮口罩重復(fù)使用的解決方案，特別是能夠適用于不需要上述高科技裝置系統(tǒng)的醫(yī)院所采用的方案。”

 

二、熱水加熱和蒸汽

 

在沒(méi)有紫外線(xiàn)輻射和過(guò)氧化氫蒸氣裝備的情況下，有三種可能的解決方案可用于口罩消毒凈化：熱水加熱、水蒸氣和烘烤。在2020年2月中旬，北京化工大學(xué)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任陳建峰領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，提出了一種對(duì)一次性使用口罩進(jìn)行“再生處理”的方法。該方法是專(zhuān)門(mén)為居家操作設(shè)計(jì)的，包括兩個(gè)步驟（圖2）。第一步是將用過(guò)的口罩浸泡在溫度大于56 ℃（通常為60~80 ℃）的熱水中30 min。溫度和時(shí)間的確定是基于中華人民共和國(guó)國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第四版）》中“56 ℃， 30 min可有效滅活病毒”的指導(dǎo)意見(jiàn)。第二步是用普通電吹風(fēng)（非抗靜電吹風(fēng)機(jī)）對(duì)口罩進(jìn)行吹干荷電處理10 min，以恢復(fù)對(duì)口罩材料過(guò)濾功能至關(guān)重要的靜電電荷。第三步是紙屑檢驗(yàn)，通過(guò)觀(guān)察再生口罩對(duì)碎紙屑的靜電吸附現(xiàn)象，檢驗(yàn)口罩荷電情況。如果可以觀(guān)察到明顯的靜電吸附現(xiàn)象，可認(rèn)為口罩靜電電荷恢復(fù)。

 

該研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，口罩在經(jīng)過(guò)熱水泡消毒凈化1次以及10次循環(huán)后，口罩的過(guò)濾效率和氣流阻力基本與新口罩相當(dāng)（表1）。盡管如此，該研究團(tuán)隊(duì)特別提醒，這種口罩重復(fù)使用的方法僅推薦在口罩急劇短缺時(shí)，低風(fēng)險(xiǎn)個(gè)人選擇使用，不推薦醫(yī)療環(huán)境等人員使用。

 

表1 新口罩和再生口罩對(duì)0.1 μm顆粒物過(guò)濾效率測(cè)試，測(cè)試方法和條件依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2626—2006 

 

 

2020年3月，陳建峰研究團(tuán)隊(duì)采用高壓蒸汽滅菌設(shè)備處理口罩，并研究了醫(yī)用防護(hù)口罩重復(fù)使用的可行性。高壓蒸汽滅菌設(shè)備是在大多數(shù)醫(yī)院和診所用來(lái)對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行滅菌消毒的常用設(shè)備。陳建峰說(shuō)：“121 ℃蒸汽處理30分鐘，幾乎可以殺死所有的細(xì)菌、病毒等病原體微生物。”高壓蒸汽滅菌也被美國(guó)疾病控制和預(yù)防中心認(rèn)定為醫(yī)療器械領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛、最可靠的一種消毒滅菌方法。

 

該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)口罩進(jìn)行高壓蒸汽滅菌和“充電”再生的初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，使用過(guò)的口罩經(jīng)消毒凈化處理后仍能夠保持過(guò)濾效果。陳建峰研究團(tuán)隊(duì)的成員王丹說(shuō)：“我們對(duì)經(jīng)志愿者佩戴8小時(shí)后的某公司產(chǎn)N95口罩，進(jìn)行高壓蒸汽滅菌及荷電再生處理后，測(cè)試結(jié)果表明再生口罩對(duì)0.1微米顆粒物的過(guò)濾效率仍保持在99% 以上。”陳建峰、王丹和他們所在的研究團(tuán)隊(duì)，目前正在優(yōu)化基于高壓滅菌器的方法的工藝參數(shù)及密合性等其他測(cè)試，以確定該過(guò)程對(duì)N95口罩綜合性能的影響。陳建峰說(shuō)：“采用實(shí)際佩戴后的口罩進(jìn)行研究測(cè)試，對(duì)于驗(yàn)證口罩重復(fù)使用技術(shù)方法的有效性和廣泛適用性非常重要。”

 

三、烘烤及各種技術(shù)方案的比較

 

最后，斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授崔屹領(lǐng)導(dǎo)的斯坦福大學(xué)和4C Air公司（位于加利福尼亞州，森尼維爾）研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)口罩進(jìn)行了烘烤的實(shí)驗(yàn)研究。他們目前提出的標(biāo)準(zhǔn)方法是將口罩在75 ℃下烘烤 30 min。“有的人認(rèn)為濕度越高，殺滅病毒的速度就越快”，崔屹說(shuō)，因此他們也在試驗(yàn)不同濕度和不同溫度的口罩。85 ℃或100 ℃的溫度也能起到很好的作用，但崔屹說(shuō)“125 ℃就太高了”。在這個(gè)溫度下，聚丙烯的性能開(kāi)始下降。

 

烘烤方法能否有效殺滅全部的病毒，是其中的一個(gè)不確定因素。此前的研究中病毒均在“液體緩沖液或介質(zhì)中”，舊金山Vitalant研究所的研究人員Jing Jin說(shuō)。Jing Jin目前與崔屹教授合作開(kāi)展口罩重復(fù)使用相關(guān)研究。為了確保烘烤方法能夠有效殺滅病毒，Jing Jin正在研究干熱處理對(duì)聚丙烯纖維布材料上病毒的影響。盡管到4月中旬才有可能完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，但她說(shuō)：“我非常有信心，75 ℃條件下30 min的處理足夠了。”

 

假設(shè)所有的方法在殺滅病毒方面都是同樣有效的，那么具體方案的選擇便取決于其他因素。因此，崔屹和他的合作者（包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、斯坦福大學(xué)物理和分子生物學(xué)教授朱棣文，與崔屹同為4C Air公司的共同創(chuàng)始人）比較了輻射、蒸汽和烘烤對(duì)口罩性能的影響。

 

崔屹說(shuō)，口罩經(jīng)紫外線(xiàn)輻射消毒凈化10次后，仍舊可以保持過(guò)濾性能（過(guò)濾效率和壓差）。但在經(jīng)過(guò)20次紫外線(xiàn)輻射消毒凈化處理后，口罩性能“退化了不少”。“我們對(duì)使用紫外線(xiàn)輻射消毒的技術(shù)方案很謹(jǐn)慎，因?yàn)樽贤饩€(xiàn)的穿透深度比較有限?？谡志哂腥S結(jié)構(gòu)，所以有些病毒細(xì)菌可能在口罩內(nèi)部，必須要用非常高的劑量輻射才能完全消毒。”

 

對(duì)于蒸汽加熱，崔屹團(tuán)隊(duì)使用了每次10 min的循環(huán)，其中蒸汽來(lái)自于燒杯中沸騰的水蒸氣，相比之下，陳建峰團(tuán)隊(duì)使用了30 min的高壓滅菌循環(huán)。崔屹說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)在3次10 min的蒸汽處理后，口罩性能沒(méi)有下降，但在經(jīng)過(guò)10個(gè)10 min的蒸汽處理后，口罩過(guò)濾效率下降到 80%。這種情況下，它已經(jīng)不再是N95級(jí)別的口罩了。

 

如上所述，北京化工大學(xué)陳建峰研究團(tuán)隊(duì)仍在評(píng)估多次高壓蒸汽滅菌處理后口罩的有效性。斯坦福大學(xué)崔屹研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果與陳建峰研究團(tuán)隊(duì)的結(jié)果不一致，可能是因?yàn)榇抟傺芯繄F(tuán)隊(duì)沒(méi)有在多次循環(huán)處理中用吹風(fēng)機(jī)給口罩“充電”和（或）兩組之間蒸汽處理過(guò)程工藝參數(shù)的差異。所以，目前看來(lái)，陳建峰研究團(tuán)隊(duì)的高壓蒸汽滅菌方法至少能使口罩重復(fù)使用一次，但其對(duì)口罩多次消毒凈化處理的效果還有待證實(shí)。

 

在崔屹研究團(tuán)隊(duì)的測(cè)試結(jié)果中，干熱烘烤處理后口罩的性能最好，是紫外線(xiàn)輻射、蒸汽和烘烤三種方法中唯一的一種即使在20次重復(fù)處理，仍能夠使口罩過(guò)濾效率、壓差和密合性保持在較高水平的方法。崔屹的研究團(tuán)隊(duì)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)氧化氫熏蒸試驗(yàn)，但杜克大學(xué)醫(yī)院的研究人員已經(jīng)計(jì)劃對(duì)N95口罩進(jìn)行30次循環(huán)的凈化和再利用，其主要的限制因素是口罩耳帶/頭帶的老化變性（30次循環(huán)后，口罩耳帶/頭帶變松，難以使口罩達(dá)到密合性要求）。

 

四、供給和需求

 

在應(yīng)急情況下，美國(guó)食品和藥物管理局于2020年3 月29日批準(zhǔn)了放大版的杜克大學(xué)醫(yī)院所采用的Bioquell 口罩消毒凈化裝置，該裝置方案已于2016年獲得批準(zhǔn)。由Battelle（俄亥俄州哥倫布市）制造和生產(chǎn)的更大版口罩消毒凈化裝置（基本上是一個(gè)裝有存放口罩的架子和一個(gè)過(guò)氧化氫汽化器的改良運(yùn)輸集裝箱）可用于多達(dá)20 次循環(huán)處理的口罩消毒和重復(fù)使用。Battelle系統(tǒng)已經(jīng)部署在馬薩諸塞州、俄亥俄州和紐約，每天可以消毒凈化8萬(wàn)個(gè)口罩，足以供應(yīng)多家醫(yī)院甚至醫(yī)院系統(tǒng)。

 

盡管如此，截至3月27日，3M公司仍然堅(jiān)持認(rèn)為在對(duì)口罩重復(fù)處理5~10次時(shí)“沒(méi)有任何消毒方法達(dá)到上述四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)”。在4月初更新的說(shuō)明中中，3M公司指出，過(guò)氧化氫和其它消毒凈化方法仍在評(píng)估中，不建議對(duì)口罩進(jìn)行烘烤、蒸汽或高壓滅菌處理，相關(guān)技術(shù)方法均有可能導(dǎo)致“過(guò)濾性能的顯著下降”。

 

無(wú)論如何，當(dāng)前對(duì)于口罩資源的需求非常迫切。在 2020年3月初，美國(guó)的國(guó)家戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備有大約4200萬(wàn)個(gè)口罩，僅為流行病疫情期年需求的1%。如果疫情期間確實(shí)像預(yù)計(jì)的一樣需要35億個(gè)口罩，這一點(diǎn)“庫(kù)存”將在半周內(nèi)消耗殆盡。

 

在供應(yīng)方面，3M公司此前在全球范圍內(nèi)每年生產(chǎn)5 億個(gè)口罩。自新型冠狀病毒疫情流行以來(lái)，該公司的產(chǎn)量已經(jīng)翻了一番。3月31日，3M公司再次承諾將全球產(chǎn)量翻番，并在美國(guó)達(dá)到每年6億個(gè)口罩的產(chǎn)量。即便如此，將這一口罩供應(yīng)（6億）與潛在需求（35億）相比，仍有明顯差距。因此口罩的多次重復(fù)非常必要。美國(guó)在縮小供需差距方面已經(jīng)得到了一些幫助。據(jù)報(bào)道，波士頓市已于4月2日收到了來(lái)自中國(guó)的120萬(wàn)個(gè)口罩，并且有更多的口罩正在運(yùn)送途中。

 

但這一慷慨的禮物，與可能通過(guò)凈化和再利用而獲得的口罩?jǐn)?shù)量相比，也是微不足道的，而口罩重復(fù)使用的策略正得益于美國(guó)和中國(guó)科學(xué)家的研究成果。