●黃珊

蔡秉燚

出于科學家的嚴謹，蔡秉燚在接受采訪時，第一件事就是澄清坊間關于他的誤傳?！拔也皇荖95口罩之父。”“準確來說，我沒有發(fā)明N95口罩，而是發(fā)明了N95口罩過濾層加靜電的技術。”他如此說道。

正是該技術，決定著人類和病毒之間多了一層更堅固的屏障，就像這次疫情之中，新冠病毒能夠被一個個薄薄的口罩所阻擋。讓蔡秉燚沒有想到的是，他30年前的技術發(fā)明所成就的N95口罩，在非典之后，會再次于2020年春天的這場災難中幫助萬千人免于病毒之肆虐。

蔡秉燚1974年畢業(yè)于臺北科技大學，獲紡織化學纖維專業(yè)學士，工作一段時間后赴美深造，1990年在美國田納西大學獲材料科學結構與電子工程博士學位。回憶起自己與N95口罩的淵源，蔡秉燚將時間撥回到1992年。當時，美國職業(yè)安全與健康標準（OSHA）將在1995年推出規(guī)定，定義了一種能夠對亞微米顆粒的過濾效率不小于95%的新型口罩規(guī)格，即我們現(xiàn)在的 N95，工人必須在塵土飛揚的環(huán)境中工作時佩戴符合新標準的口罩。

1922年的外科醫(yī)生佩戴的口罩

新標準推出的消息被美國的口罩企業(yè)獲知。但彼時，企業(yè)們并不知道如何達到這樣的過濾效果。于是，這些公司開始聯(lián)絡大學、研究機構中的科研團隊，以尋求能夠達到N95標準、且可以在短期內實現(xiàn)產業(yè)化的技術。蔡秉燚和他在田納西的團隊此前一直在進行過濾技術的研究且有所積累，因此出現(xiàn)在他們的聯(lián)絡名單中。

第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)中，科學家發(fā)明了空氣過濾式防毒面具，該面具幾乎覆蓋人的整個頭部才能實現(xiàn)清潔的空氣供應。早期裝有玻璃纖維過濾器的類似口罩的產品主要在采礦業(yè)中用于預防肺部疾病，而非針對醫(yī)療場景，畢竟當時醫(yī)學的認知還不完善，更別提成熟的醫(yī)療專用防護品

正確佩戴N95口罩可防止感染新冠病毒

黃色顆粒狀為新冠病毒

經(jīng)過團隊與口罩公司的探索，發(fā)現(xiàn)由蔡秉燚發(fā)明的方法確實可以達到 N95的標準，由此，蔡秉燚團隊將專利授權至公司，才有了現(xiàn)在我們看到的N95口罩。與醫(yī)用外科口罩類似，N95口罩同樣有 3層結構：表層抗?jié)駥印⒅虚g過濾吸附層以及內層貼膚層。蔡秉燚的技術發(fā)明就體現(xiàn)在中間的過濾吸附層，這是一種同時兼顧了口罩防護性和排氣舒適性的設計。他所做的發(fā)明，學術上的嚴謹說法是對熔噴布（melt blown fibers，中間層）的駐極處理。通俗地解釋，就是讓纖維里面帶上大量靜電電荷，借助靜電吸附作用來捕捉細微顆粒物，從而起到過濾防護作用。

其中的兩個關鍵技術點分別在于熔噴布材料以及加靜電技術。熔噴布是一種以聚丙烯為主要原料的過濾材料，由直徑約2μ m的超細聚丙烯纖維經(jīng)熔噴工藝（將高聚物熔體通過高速高溫氣流噴吹凝聚形成纖網(wǎng)，再經(jīng)自身粘合加固）制成。這些具有獨特的毛細結構的超細纖維增加單位面積纖維的數(shù)量和表面積，從而使熔噴布具有很好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性，可用于空氣、液體過濾材料、隔離材料、吸納材料、口罩材料、保暖材料及擦拭布等領域。N95口罩中使用的熔噴布比無紡布更近了一大步，其纖維直徑可以達到1微米～5微米，使熔噴布具有很好的過濾性、屏蔽性、絕熱性和吸油性。

但如果要達到對微米顆粒的過濾效率不小于 95%（新冠病毒只有 0.08微米～0.12微米），僅僅熔噴布還不夠。蔡秉燚由此開創(chuàng)熔噴布加靜電技術，解決了這個問題：類似于用塑料棒摩擦毛發(fā)后產生的靜電可以吸附細紙屑，加了靜電的熔噴布不僅可以過濾帶有病毒的飛沫，還可以吸附直徑更小的漂浮在空氣里帶有病毒的氣溶膠。通過他的創(chuàng)新，帶電的熔噴布可以比傳統(tǒng)的不帶電織物對空氣中顆粒的過濾效率提高10倍～20倍，而不會增加空氣阻力。

隨著第一批滿足N95標準的口罩誕生，這種產品首先在工業(yè)場景中得到大量應用。直到20世紀90年代隨著耐藥性結核病的興起，對防護口罩的需求才聚焦到了臨床醫(yī)療環(huán)境。為了阻止其空氣傳播，N95標準專門針對醫(yī)療機構進行了普及推廣，醫(yī)生在幫助結核病患者時開始佩戴它們。再到后來，隨著醫(yī)療防護成為行業(yè)共識，N95口罩也被世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦用于防止非典、禽流感、豬流感和其他空氣傳播疾病。

具體到國內，不少民眾開始對N95有所認知，應是源于2003年的非典。在非典期間中，N95口罩開始較多地被中國國內醫(yī)院所采用。盡管不像在此次新冠疫情期間這么強調N95作為首選，但當時也有個別媒體報道了世衛(wèi)組織推薦N95規(guī)格口罩的觀點。直到這次蔓延全世界的新冠肺炎疫情，一個個N95口罩在全世界這么多國家、醫(yī)院里，在醫(yī)生護士們之間，在不同群體之間傳遞，成為全球命運共同體的一個具象，讓更多人注意到了他所做的工作。

但實際上，蔡秉燚長久以來所進行的研究并不局限于口罩材料。簡單地說，他研究的是如何更好地進行過濾，除了口罩之外還有包括用在汽車、空調、空氣凈化器里的過濾技術。在他目前所獲的12項專利中，與口罩直接相關專利是2項?！艾F(xiàn)在有很多人來問我相關問題，包括我們學校和一家由美國高校學生組建的N95科普網(wǎng)站、家人朋友等等。我能做的是做一些科普，解除大家的疑慮。然后盡量幫助企業(yè)解決問題。我現(xiàn)在的感覺是忙不過來?！彼f，“平常時我做的這些東西是很平凡的”。

以下是主要專訪內容：

關于“N95之父”的稱謂您想澄清什么？

蔡秉燚：我在2018年的時候有過一項新的加靜電技術相關的發(fā)明，是用和之前不同的方法給材料加靜電。1992年的技術是加靜電后的效果是沒加靜電的10倍，2018年的技術是加靜電后的效果是沒加靜電的20倍，這引起了全球很多企業(yè)的關注，因此他們有意來我們學校接洽做技術轉移。

這些報道中也提到了我在1992年的口罩發(fā)明。當時美國口罩要在1995年實施新的標準，于是有企業(yè)想驗證我的發(fā)明能否符合新的標準。結果證明我們的“熔噴+靜電技術”可以滿足N95標準，于是企業(yè)就向學校提出技術轉移。

新冠病毒疫情發(fā)生之后，有媒體翻到這些文章，經(jīng)過國內翻譯之后就誤傳為我是N95口罩的發(fā)明人，其實不是。N95是口罩的一種規(guī)格，并不是一種發(fā)明。現(xiàn)在在美國過濾微塵口罩總共有9種，N95是其中的一種，它們都是采用加靜電材料制成的，只是款式種類不同。所以，需要澄清的是，我只是 N95口罩中過濾層加靜電技術的發(fā)明人，并不是N95口罩的發(fā)明人。

去年12月，田納西大學為表彰蔡秉燚憑借數(shù)十年來的創(chuàng)新能力，開發(fā)了保護全球超過10億人健康的過濾技術，為他授予“Innovator Hall of Fame Award”創(chuàng)新名人堂獎

口罩除了N95之外還有其他標準，比如N99等，它的防護等級更高，但是透氣性就相對較差。預防新冠病毒N95口罩已經(jīng)可以滿足防護需求，使用更高的防護等級反而透氣性不好，使用體驗不好。因此N95仍是很多官方會推薦的選擇。

您提到的1992年的發(fā)明是如何誕生的？

蔡秉燚：20世紀80年代我加入到田納西大學團隊，進行的是熔噴技術改良方面的工作。當時熔噴工藝已經(jīng)可以制作超細纖維材料，而且可以面向醫(yī)療防護，例如制作手術服等。

接著我們開始探索能不能給超細纖維材料加靜電，直到1992年研發(fā)出了新的技術，當時就可以將材料的防護等級提升了6倍～7倍，之后經(jīng)過不斷改良，我們將防護等級提高到了10倍。這就是我們學校熔噴制程研發(fā)和加靜電技術發(fā)明的過程。而且，加靜電技術并不是只能用于熔噴的超細纖維布，它也可以用于其他薄膜、無紡布等，實現(xiàn)不同的用途，口罩只是其中一個用途。其他用途比如汽車的過濾網(wǎng)、家庭空氣凈化器中過濾網(wǎng)、吸塵器等?？谡制鋵嵅凰闶俏业陌l(fā)明中占據(jù)最多市場的產品，最近幾年空氣凈化器等也用到很多這些技術。

您在1992年的發(fā)明之后，又在2018年實現(xiàn)了新的改進，后者具體是什么？

蔡秉燚：2018年，我們發(fā)明了新的加靜電方式，利用的是摩擦生電原理，但是與一般的摩擦生電不同的是，普通摩擦產生的靜電電荷是在材料的表面，遇水電荷就會消失，而我們的技術實現(xiàn)的是，電荷處于材料之中，而且材料也是疏水材料，因此遇水電荷不會消失。我們實驗中用水浸泡、蒸汽處理之后，電荷都不會消失。1992年和2018年的技術，材料遇水電荷都不會消失。

在采訪中蔡秉燚會時不時拿起N95口罩配合講解

我們新設計的材料既被注入了正電荷，也有負電荷，兩種電荷分列在材料的兩邊，正負電荷之間會產生微小的電極，當中性顆粒穿過材料時，顆粒會發(fā)生極化，于是可以做到連中性顆粒都能被材料吸附。這項工作目前也正在申請新的專利，專利仍在審核中。目前我接收到的對2018年發(fā)明感興趣的公司，大概有一半來自中國。2018年新的加靜電技術已經(jīng)很成熟，并正在應用了，已經(jīng)差不多有10條生產線。用的最廣泛的是汽車車廂過濾網(wǎng)、空氣凈化器、獨立冷氣機的過濾網(wǎng)等。

疫情對您產生的影響是？

蔡秉燚：疫情之前，因為涉及技術轉化，我的主要工作除了學術研究以外還包括去工廠負責生產線的搭建。在得知中國國內疫情之后，我經(jīng)常會上網(wǎng)閱讀最新的狀態(tài)。我以為有國內經(jīng)驗，其他國家會如同他們在媒體上所說的，做了很充足的準備，但事實來看并非如此。

現(xiàn)在政府建議我們待在家里，所以我暫時沒有辦法去實驗室，基本上就是在家辦公。因為我一直在做熔噴和靜電相關的工作，由于現(xiàn)在口罩材料緊缺，也有很多企業(yè)聯(lián)系我，希望將自己的產品改造成熔噴加靜電布材料，現(xiàn)在我的主要工作就是盡量協(xié)助他們。另外，最近也有很多國內外的媒體采訪我。

其實平時我是比較低調的人，但是在這個特殊的時候，我需要做一些糾正信息的工作，包括在我們學校的官網(wǎng)專門撰寫了關于N95口罩的科普文章、為一家名為N95DCON的公益網(wǎng)站提供專業(yè)信息等等。很多朋友和親人也會向我咨詢，我每天都要花很多時間作相關解答。我現(xiàn)在的感覺是忙不過來，平常我研究的這些東西是很平凡的，現(xiàn)在有很多人來問我相關問題，我能做的是做一些科普，解答大家的疑慮。然后盡量幫助企業(yè)解決問題。

目前，在尚無確切治療藥物的情況下，面對新冠病毒的最佳防護武器仍然是N95口罩。因此，我們也綜合整理了采訪中蔡秉燚提示的內容，以及他在田納西大學官網(wǎng)發(fā)布的N95科普文章要點，希望能夠為各位的生活健康提供更多有價值的參考。

1.N95口罩通過吸附實現(xiàn)過濾，無需搭理稱“N95纖維空隙過大無法過濾病毒”的說法

N95口罩對顆粒的阻礙是通過材料纖維對顆粒的吸附實現(xiàn)的，并不是通過纖維之間的細小孔洞實現(xiàn)過濾的。我們使用的熔噴靜電布材料的纖維孔洞大小約為20微米～30微米，但是它可以吸附的顆粒為零點幾微米。

2.N95口罩的消毒重復使用已經(jīng)有了幾項相關研究，已有部分定論

自從新冠疫情出現(xiàn)以來，口罩一直非常短缺，關于這些口罩的滅菌性能和重復使用的問題也很多。使用高能輻射（例如伽馬射線）進行滅菌可能會分解聚丙烯材料，而使用酒精會擦掉電荷。最好的方法是將口罩在較高的溫度（例如70攝氏度）下暴露于熱空氣中30分鐘。但要將口罩懸掛在空氣中，而不能接觸或接近金屬表面。因為金屬溫度比熱空氣的溫度高得多，從而會導致電荷衰減甚至損壞口罩材料。取下口罩時，請抓住非呼吸區(qū)域的邊緣，并且不要觸摸口罩的內部。

N95和醫(yī)用口罩在70攝氏度、24小時熱處理后的過濾效率對比

我們的研究表明，在沸水中殺菌3分鐘對駐極體的電荷損失沒有明顯的影響。但是，為了避免對口罩的物理損傷，不建議攪拌。注意，重要的是要確?？谡謨韧鈱邮菬o紡布材料。用酒精處理N95口罩會讓電荷消失，但70℃溫度的處理不會讓電荷消失，即不會顯著降低口罩的過濾效率，這些做法能消除新冠病毒已經(jīng)初步得到驗證。包括醫(yī)學期刊、電視和國內媒體在內的許多資料均報道，在 56攝氏度～75攝氏度下進行30分鐘的熱處理可以殺死冠狀病毒。但是，這些實驗是使用SARS-CoV，MERS-CoV/H1N1，而非 SARS-CoV-2（引起COVID-19的新型冠狀病毒）完成的。使用熱滅菌殺死SARS-CoV-2的數(shù)據(jù)已經(jīng)初步得到驗證。

而在最近，美國國立衛(wèi)生研究院已找到3種可使N95口罩有限次重復利用的消毒方法，分別是過氧化氫（VHP）、70攝氏度干熱和紫外線處理，結果已公布在預印網(wǎng)站上。研究論文尚未經(jīng)歷同行評估，但正在共享以協(xié)助公共衛(wèi)生部門應對新冠病毒。

3.醫(yī)用口罩和 N95口罩的區(qū)別

醫(yī)用口罩可以有效阻擋從鼻子和嘴里噴出的飛沫，尤其是在說話、打噴嚏和咳嗽時。但是由于醫(yī)用口罩亞微米級過濾的效率不高，而且邊緣沒有緊密密封，所以這些口罩并不是預防亞微米顆粒級空氣傳播疾病的理想設備。在這種情況下，建議使用N95口罩，它可以防止懸浮的亞微米病毒穿透口罩或從邊緣進入。新冠病毒的大小是0.08μ m～0.12μ m，這跟測量過濾效率所用的NaCl測試氣溶膠顆粒大小相似，但它需要通過比病毒大得多的懸浮亞微米液滴/微粒傳播。

4.用酒精對口罩消毒會清除掉口罩中的電荷

聚丙烯是一種疏水材料，其表面張力為35達因/厘米，遠低于室溫水的表面張力71.2達因/厘米。酒精的表面張力為20達因/厘米，由于酒精的表面張力低于聚丙烯的表面張力，因此酒精會滲入聚丙烯織物并清除電荷。因此，不能用酒精對口罩進行消毒，因為電荷會被液體或蒸氣酒精擦除。

5.人通過口罩呼吸不會導致口罩過濾效率降低

我們的研究表明，人體呼出的蒸汽覆蓋在駐極體纖維上，不會導致N95口罩過濾效率降低。佩戴8小時并干燥 24小時的口罩再 70攝氏度熱處理30分鐘并沒有降低其效率。

6.可以使用蒸汽、沸水處理口罩

我們的研究表明，使用125攝氏度蒸汽滅菌3分鐘，對駐極體上的電荷損失影響不大。請注意，重要的是要確保面罩的內部或外部面紗也是由無紡布制成的。紙漿是通過水溶性粘合劑粘合的，它們要么會溶于水，導致面紗中的纖維松散，要么遇水后強度會下降。（注：以上實驗均在沸水上方進行，不浸泡在沸水中。由于其材料組成和結構，沸水會改變N95口罩的形狀，可能會影響其密合性。到目前為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)70攝氏度熱處理30分鐘會影響舒適性。）■

用酒精和肥皂 /水處理后測定過濾效率