第一作者：Lei Liao
通訊作者：崔屹
通訊單位：美國斯坦福大學
核心內容：
1. 在85°C以下加熱是保持N95級口罩過濾性能的最好辦法，在100°C的高溫處理20個周期內未發現過濾效率明顯改變。
2. 紫外線（UV）照射是次要選擇，可以反復處理10個周期，僅在20個周期后過濾效率出現小幅下降。但是，紫外線可能會影響口罩的材料強度和密封性能。
3. 作者建議不要使用酒精溶液，氯基溶液或肥皂水等液體來清潔口罩，因為這會導致熔噴布的靜電吸附性能大幅下降。
研究背景
新型冠狀病毒2019（COVID-19）是一種持續性的大流行傳染病，截止發稿前全球確診的病例已經超過370萬。該病毒像SARS-CoV一樣會通過血管緊張素轉換酶2(ACE2)膜蛋白進入人體細胞。該病毒的主要是通過短距離飛沫傳播和密閉空間的氣溶膠傳播。從流感患者那里收集的數據表明，這些氣溶膠通常是細顆粒物（<5μm）或粗顆粒物（>5μm）。其中粗顆粒可在1小時內因重力而沉降，而細顆粒，尤其是小于1μm的細顆粒，基本上可以無限期地停留在空氣中。對于這種依靠呼吸道傳播的疾病，佩戴口罩可以顯著減低感染風險。
目前廣泛使用的N95型口罩對過濾病毒有著不錯的效果（注：N95型口罩是美國國家職業安全衛生研究所認證的9種顆粒物防護口罩中的一種，可以對空氣動力學直徑為0.075μm±0.020μm的顆粒的過濾效率達到95%以上）。然而病毒在全球范圍內肆虐傳播，導致對N95口罩的需求與日俱增。同時口罩的生產和供應又受到疫情的影響，產能嚴重不足，最終的結果便是“一罩難求”。為了應對這一困境，對口罩進行消毒，使其實現重復利用，從而可以緩解口罩供應不足的燃眉之急。
成果簡介
近日，美國斯坦福大學崔屹教授等人研究了口罩的幾種常用消毒方案及其效果，發現在任意濕度（≤100％相對濕度，RH）下加熱（≤85°C）是保持口罩中熔噴布和N95口罩過濾性能的非破壞性最好辦法。
要點1：N95過濾式口罩組成結構
N95過濾式口罩（FFR）由多層聚丙烯無紡布組成（圖1A）。在這些夾層中，最關鍵的是通過熔噴工藝生產的熔噴層，其厚度為100-1000μm，由直徑在約1-10μm范圍內的聚丙烯微纖維組成，熔噴纖維可以堆疊并形成三維網絡，其孔隙度為90％，從而實現高透氣性。但是，纖維直徑相對較小且空隙空間較大，熔噴織物本身的過濾效率較低（圖1D）。為了提高過濾效率并同時保持相同的高透氣性，這些纖維通過電暈放電或摩擦起電方式注入電荷后可以顯著提高其過濾率效率，而不會增加結構的質量或密度。
圖1. N95 FFR中的熔噴布。（A）多層非織造材料。（B）熔噴布橫截面的SEM，厚度約為300μm。（C）復雜而隨機取向的纖維網絡。（D）熔噴纖維的示意圖（左）不帶靜電，（右）帶靜電。
要點2：探究不同消毒方法對熔噴層性能的影響
盡管該病毒最終將在口罩表面失活，并且不太可能完全滲透到使用者的內側，但最近的一項研究表明，SARS-CoV-1和SARS-CoV-2病毒的濃度在塑料表面減少3個數量級需要72小時。假設病毒在FFR表面具有相似的壽命，制定有效消毒策略在不降低過濾效率的情況下確保安全重復使用FFR就顯得尤為重要。美國疾病預防控制中心推薦了許多消毒或滅菌方法，通常涉及化學，輻射或溫度處理。簡而言之，細菌和病毒的消毒或滅菌機制包括蛋白質變性（酒精，熱量），DNA/RNA破壞（紫外線，過氧化物，氧化劑）和細胞分裂（酚類，氯化物，醛類）。
在美國疾控中心推薦的消毒方法中，作者選擇了五種常用方式：（1）在任意濕度下加熱（SARS-CoV-2在溶液中溫度>70°C持續5分鐘可熱變性）;（2）蒸汽（100°C熱變性）;（3）75％的酒精（病毒變性）；（4）家庭稀釋的氯基溶液（氧化或化學損害）；（5）紫外線殺菌照射（用通量光3.6 J/cm2的UV-C可滅活溶液中的SARS-CoV）。
表1. 不同消毒方法對熔噴層性能的影響。
使用乙醇和氯基消毒液會使過濾效率急劇降低至56%和73%，其熔層噴的膨松度和結構沒有改變，所以性能下降的原因與靜電荷減少有關。使用真空干燥才有可能恢復FFR的過濾效率，所以這種消毒方式應當盡量避免。
圖2. (A)和(B)分別是75℃加熱、水蒸氣、和紫外光反復處理后熔噴布的過濾效率和壓降變化。
經過五次蒸汽處理后，效率急劇下降至80%以下，壓降可以保持在8–9 Pa，與酒精和氯基溶液處理相似，這表明性能衰減歸因于靜電荷的減少。如果蒸汽處理時使纖維上凝結水滴可能會導致電荷減少，所以如果纖維不直接接觸到水僅與蒸氣接觸，則可以減輕靜電衰減。
圖3. 不同的濕度，干燥溫度對于過濾性能的影響。
作者在85°C下進行了多個濕度實驗，均未觀察到效率的明顯下降（圖3A，B）。在85°C，30％RH的條件下，經過50個循環后過濾效率也沒有下降（圖3C，D）。為了確定加熱溫度的上限，100°C處理的過濾效率和壓降同樣沒有變化。但是，在125°C時，過濾效率會急劇下降。作者認為高溫使聚合物內的微觀電荷狀態改變，導致某些準穩定極化變為去極化至中性狀態。
圖4. 對熔噴層使用紫外線反復殺菌處理后過濾效率和壓降的變化。
使用紫外線反復殺菌處理10個周期時，效率沒有明顯下降。但在20個周期后降低至93％，使其低于N95級標準。盡管紫外線輻射可能會破壞聚丙烯的化學鍵導致降解，但滅菌的劑量相對較低，所以材料降解緩慢。
小結
通常可采用低于100°C加熱的辦法來保留原始N95口罩的過濾特性，在沒有加熱條件時，紫外線照射也可以達到同樣的效果。使用蒸汽進行消毒需要謹慎，不要使口罩表面凝結水珠，這樣會降低過濾效率。最后，作者建議千萬不要使用酒精溶液，氯基溶液或肥皂水等液體來清潔口罩，這樣會顯著降低過濾效率。
參考文獻
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
