Dana Mackenzie

Senior Technology Writer

隨著COVID-19在美國的大流行進入第二個月（2020年4月），通常只為一次性使用的醫(yī)用防護口罩這一最簡單的醫(yī)療用品已經(jīng)供不應(yīng)求?，F(xiàn)在，為了滿足日益迫切的需求，中國和美國的工程師正在研究新的技術(shù)方案，使醫(yī)院現(xiàn)有的防護口罩能夠通過消毒凈化處理以后，達到可重復(fù)使用（圖1）[1]。其中一些技術(shù)方案需要專門的消毒凈化設(shè)備，但也有一些方法簡單易行，適合居家操作（圖2）[2,3]。

如何有效殺死病毒？當病毒不在人體內(nèi)時，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：“最簡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超過十天左右?！比欢?，這樣一個緩慢的解決方案并不特別實用。

圖1. N95口罩，如圖中所示的“干凈”口罩，使用Bioquell (Horsham,Pennsylvania) Z-2設(shè)備（見圖2）經(jīng)過氧化氫蒸汽消毒凈化處理后，在杜克大學(xué)醫(yī)院（Durham, North Carolina）重復(fù)使用[1]。來源：杜克大學(xué)，經(jīng)許可。

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口罩進行消毒凈化的標準方案。對于口罩凈化，需要確保在消毒凈化處理后，具有像新口罩一樣具有防護功能。根據(jù)美國最大的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)該滿足以下四個條件：①有效殺滅目標微生物，比如引起疫情的COVID-19病毒；②不損壞口罩的過濾性能；③不影響口罩的適配性；④對口罩佩戴者是安全的[4]。

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[2,3]。來源：陳建峰教授團隊提供。

一些口罩消毒處理方法并不能滿足上述條件。例如，微波爐加熱處理，有可能使口罩材料部分熔化[5]。酒精和漂白劑會破壞口罩內(nèi)層材料的靜電，而靜電對于維持口罩的過濾功能至關(guān)重要[5,6]。N95過濾層的孔隙率接近90%，因此纖維需要依靠靜電的幫助以捕獲微小粒子，從而達到95%以上的過濾效率[6,7]。

1. 紫外線輻射和熏蒸

上述五種方法中的第一種——紫外線輻射（UV），目前已被美國內(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[8,9]。他們的技術(shù)方案是將兩個紫外光源（UVC）組成的輻射塔（每個輻射塔有8根紫外燈管）置于墻壁涂有反射涂料的房間里（圖3）[9]。將口罩掛在房間內(nèi)的晾衣繩上進行紫外線輻射消毒處理，每個房間可放置90個口罩。測試結(jié)果表明，15 min的紫外線輻射可以殺死病毒[9]。

圖3. 美國內(nèi)布拉斯加州大學(xué)醫(yī)療中心使用紫外線對N95口罩進行消毒，供醫(yī)務(wù)人員重復(fù)使用[9]。使用過的口罩掛在兩個紫外線組成的輻射塔之間的晾衣繩上，每個輻射塔有8根紫外燈管；經(jīng)紫外線輻射15 min處理，可以殺死病毒，且單批次可處理90個口罩。來源：內(nèi)布拉斯加州大學(xué)，經(jīng)許可。

第二種方法是熏蒸。美國北卡羅萊納州達勒姆市杜克大學(xué)醫(yī)院已使用由Bioquell公司（位于賓夕法尼亞州霍爾沙姆市）制造的基于過氧化氫蒸氣的口罩消毒凈化系統(tǒng)，并對其進行測試[1]。根據(jù)所使用的機器系統(tǒng)的區(qū)別，過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到安全范圍。但此后的口罩使用是安全的，過氧化氫能夠分解成氧氣和水。使用Bioquell Z-2過氧化氫蒸氣發(fā)生器（圖4），杜克大學(xué)醫(yī)院每批次可對1250個口罩進行消毒凈化，每12 h可消毒凈化2500個口罩[1]。

但紫外線和過氧化氫方法所需的設(shè)備，并非是所有醫(yī)院已有的。Mina說： “全球范圍內(nèi)口罩資源短缺令人擔心，對其進行有效的重復(fù)使用將具有重要意義。我會鼓勵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。”

2. 熱水加熱和蒸汽

在沒有紫外線輻射和過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)有機無機復(fù)合材料國家重點實驗室主任陳建峰領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團隊，提出了一種對一次性使用口罩進行“再生處理”的方法[2,3]。該方法是專門為居家操作設(shè)計的，包括兩個步驟（圖2）。第一步是將用過的口罩浸泡在溫度大于56 ℃（通常為60～80 ℃）的熱水中30 min。溫度和時間的確定是基于中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委員會《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[2]。第二步是用普通電吹風(fēng)（非抗靜電吹風(fēng)機）對口罩進行吹干荷電處理10 min，以恢復(fù)對口罩材料過濾功能至關(guān)重要的靜電電荷。第三步是紙屑檢驗，通過觀察再生口罩對碎紙屑的靜電吸附現(xiàn)象，檢驗口罩荷電情況。如果可以觀察到明顯的靜電吸附現(xiàn)象，可認為口罩靜電電荷恢復(fù)。

圖4. 使用Bioquell公司（位于賓夕法尼亞州霍爾沙姆市）的過氧化氫蒸氣發(fā)生器，杜克大學(xué)醫(yī)院的工作人員每批次可對1250個口罩進行消毒凈化，每12 h可消毒凈化2500個口罩，以供重復(fù)使用[1]。Battelle（位于俄亥俄州哥倫布市）制造和運營的放大版本的口罩消毒凈化系統(tǒng)，每天可以對8萬個口罩進行消毒凈化處理，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[10]。來源：杜克大學(xué)，經(jīng)許可。

表1 新口罩和再生口罩對0.1 μm顆粒物過濾效率測試[2]，測試方法和條件依據(jù)中華人民共和國國家標準GB 2626—2006

該研究團隊發(fā)現(xiàn)，口罩在經(jīng)過熱水泡消毒凈化1次以及10次循環(huán)后，口罩的過濾效率和氣流阻力基本與新口罩相當（表1）[2]。盡管如此，該研究團隊特別提醒，這種口罩重復(fù)使用的方法僅推薦在口罩急劇短缺時，低風(fēng)險個人選擇使用，不推薦醫(yī)療環(huán)境等人員使用[2,3]。

2020年3月，陳建峰研究團隊采用高壓蒸汽滅菌設(shè)備處理口罩，并研究了醫(yī)用防護口罩重復(fù)使用的可行性。高壓蒸汽滅菌設(shè)備是在大多數(shù)醫(yī)院和診所用來對手術(shù)器械進行滅菌消毒的常用設(shè)備。陳建峰說：“121 ℃蒸汽處理30分鐘，幾乎可以殺死所有的細菌、病毒等病原體微生物?！备邏赫羝麥缇脖幻绹膊】刂坪皖A(yù)防中心認定為醫(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[11]。

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

3. 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）研究團隊，對口罩進行了烘烤的實驗研究 [6,7]。他們目前提出的標準方法是將口罩在75 ℃下烘烤30 min?！坝械娜苏J為濕度越高，殺滅病毒的速度就越快”，崔屹說，因此他們也在試驗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“125 ℃就太高了”。在這個溫度下，聚丙烯的性能開始下降。

烘烤方法能否有效殺滅全部的病毒，是其中的一個不確定因素。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。Jing Jin目前與崔屹教授合作開展口罩重復(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)實驗，但她說：“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、蒸汽和烘烤對口罩性能的影響。

崔屹說，口罩經(jīng)紫外線輻射消毒凈化10次后，仍舊可以保持過濾性能（過濾效率和壓差）。但在經(jīng)過20次紫外線輻射消毒凈化處理后，口罩性能“退化了不少”?！拔覀儗κ褂米贤饩€輻射消毒的技術(shù)方案很謹慎，因為紫外線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?！?/p>

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

如上所述，北京化工大學(xué)陳建峰研究團隊仍在評估多次高壓蒸汽滅菌處理后口罩的有效性。斯坦福大學(xué)崔屹研究團隊的結(jié)果與陳建峰研究團隊的結(jié)果不一致，可能是因為崔屹研究團隊沒有在多次循環(huán)處理中用吹風(fēng)機給口罩“充電”和（或）兩組之間蒸汽處理過程工藝參數(shù)的差異。所以，目前看來，陳建峰研究團隊的高壓蒸汽滅菌方法至少能使口罩重復(fù)使用一次，但其對口罩多次消毒凈化處理的效果還有待證實。

在崔屹研究團隊的測試結(jié)果中，干熱烘烤處理后口罩的性能最好，是紫外線輻射、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。崔屹的研究團隊沒有進行過氧化氫熏蒸試驗，但杜克大學(xué)醫(yī)院的研究人員已經(jīng)計劃對N95口罩進行30次循環(huán)的凈化和再利用[1]，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，難以使口罩達到密合性要求）。

4. 供給和需求

在應(yīng)急情況下，美國食品和藥物管理局于2020年3月29日批準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。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（基本上是一個裝有存放口罩的架子和一個過氧化氫汽化器的改良運輸集裝箱）可用于多達20次循環(huán)處理的口罩消毒和重復(fù)使用[10]。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8萬個口罩，足以供應(yīng)多家醫(yī)院甚至醫(yī)院系統(tǒng)[12]。

盡管如此，截至3月27日，3M公司仍然堅持認為在對口罩重復(fù)處理5～10次時“沒有任何消毒方法達到上述四項標準”[4]。在4月初更新的說明中[13]中，3M公司指出，過氧化氫和其它消毒凈化方法仍在評估中，不建議對口罩進行烘烤、蒸汽或高壓滅菌處理，相關(guān)技術(shù)方法均有可能導(dǎo)致“過濾性能的顯著下降”。

無論如何，當前對于口罩資源的需求非常迫切。在2020年3月初，美國的國家戰(zhàn)略儲備有大約4200萬個口罩，僅為流行病疫情期年需求的1% [14]。如果疫情期間確實像預(yù)計的一樣需要35億個口罩，這一點“庫存”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)5億個口罩。自新型冠狀病毒疫情流行以來，該公司的產(chǎn)量已經(jīng)翻了一番[15]。3月31日，3M公司再次承諾將全球產(chǎn)量翻番，并在美國達到每年6億個口罩的產(chǎn)量[16]。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。美國在縮小供需差距方面已經(jīng)得到了一些幫助。據(jù)報道，波士頓市已于4月2日收到了來自中國的120萬個口罩，并且有更多的口罩正在運送途中[17]。

但這一慷慨的禮物，與可能通過凈化和再利用而獲得的口罩數(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和中國科學(xué)家的研究成果。