N95買不到怎么出門？試試DIY一個(gè)棉布口罩

法蘭絨，紡織界的N95。

撰文 | 小葉

隨著國(guó)內(nèi)防疫政策的開(kāi)放，某些地區(qū)再次出現(xiàn)藥品和防疫物資供不應(yīng)求的情況，這讓我們想起疫情初期，曾有一段時(shí)間全球口罩供不應(yīng)求。那時(shí)，有一群科學(xué)家，他們想出辦法自制口罩，同時(shí)還找到了可有效抵擋新冠病毒顆粒的最佳面料。

新冠疫情迫使許多人開(kāi)啟居家遠(yuǎn)程工作模式，科學(xué)家們也不例外。Edward Vicenzi是美國(guó)史密森尼博物館保護(hù)學(xué)院（Smithsonian Museum Conservation Institute，以下簡(jiǎn)稱MCI）的科學(xué)家研究員，疫情之前的主要工作是使用各種精密設(shè)備檢查稀有的古代物品遺跡。Jamie Weaver是美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，以下簡(jiǎn)稱NIST）的化學(xué)家，調(diào)查前維京時(shí)代瑞典玻璃制品的化學(xué)性質(zhì)。

這兩位科學(xué)家都精通材料研究，在疫情初期，他們和另外兩名同在NIST工作的地球大氣氣溶膠科學(xué)家James Radney和Chris Zangmeister組成小隊(duì)，響應(yīng)學(xué)界和衛(wèi)生部門號(hào)召，發(fā)揮自己的專業(yè)知識(shí)和技能，一邊DIY口罩，一邊研究可有效抵擋病毒顆粒的口罩面料。

2020年，美國(guó)疾病預(yù)防和控制中心（Centers for Disease Control and Prevention，以下簡(jiǎn)稱CDC）曾在官網(wǎng)上示范并教授3種方法自制簡(jiǎn)易布口罩。為了增強(qiáng)防護(hù)效果，還建議在自制口罩內(nèi)再佩戴一只一次性外科口罩。

曾經(jīng)掛在美國(guó)CDC官網(wǎng)上的口罩制作步驟。不過(guò)每個(gè)人動(dòng)手能力不同，個(gè)人DIY口罩的效果參差不齊，且后來(lái)市面上口罩供應(yīng)充足，如今CDC已不再建議自制口罩，也注銷了DIY口罩頁(yè)面。

Weaver采用的就是上圖所展示的方法。需要使用縫紉機(jī)縫合，不過(guò)制作過(guò)程相當(dāng)簡(jiǎn)單：

1. 裁剪下兩塊長(zhǎng)方形棉布（床單、舊T恤也可以），長(zhǎng)約25厘米，寬約15厘米；

2. 將其疊放在一起，上下左右四邊向內(nèi)折疊，然后用縫紉機(jī)縫合起來(lái)；

3. 隨后，取兩根長(zhǎng)橡皮筋，穿過(guò)口罩的兩條短邊并打結(jié)，將打好的結(jié)塞入邊縫中；

4. 調(diào)整好口罩和橡皮筋的位置后，將口罩貼合面部，固定好口罩形狀；

5. 最后將橡皮筋與邊縫牢固縫合，防止滑動(dòng)。這樣，一個(gè)簡(jiǎn)單的布口罩就制作好了。

自制口罩時(shí)，Weaver的家族背景發(fā)揮了不小的作用，她的姓氏Weaver就是“織布工”的意思。確實(shí)，家中祖輩五代人都是縫紉高手，收藏了各類紡織品。這次，Jamie本人踩著自己祖母用過(guò)的縫紉機(jī)，做了各種面料的口罩，從家中藏品，到工藝品商店淘到的布料。為了加強(qiáng)安全性，Weaver縫了三層布料，還在鼻子附近做了貼片，防止口罩不貼合面部。

圖上四位佩戴DIY口罩的科學(xué)家最先在期刊上發(fā)表了口罩材料研究，從左到右分別是：Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi和Christopher Zangmeister丨來(lái)源：NIST

布口罩制作過(guò)程簡(jiǎn)單，但要找到防護(hù)效果優(yōu)良的口罩面料并不容易。這也是四人小組研究的重點(diǎn)，他們閱讀了不少1918年大流感時(shí)期與口罩相關(guān)的文章。事實(shí)上，也正是1918年大流感的暴發(fā)，讓口罩從外科醫(yī)學(xué)專用器械走入大眾生活。

一篇1919年的文獻(xiàn)中描述了當(dāng)時(shí)醫(yī)護(hù)人員佩戴的自制醫(yī)用口罩，以及口罩的制作方法，CDC給出的方法與之類似。丨來(lái)源：George H. Weaver, Droplet Infection and its Prevention by the Face Mask, The Journal of Infectious Diseases, Volume 24, Issue 3, March 1919, Pages 218–230,https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

居家令讓Vicenzi和Weaver遠(yuǎn)離了實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的設(shè)備。不過(guò)，既然DIY口罩難不倒他們，DIY實(shí)驗(yàn)室自然也不在話下。他們從沃爾瑪超市以每臺(tái)不到30美元的價(jià)格買到了一批簡(jiǎn)易顯微鏡。Vicenzi又在網(wǎng)上找到了高分辨率顯微鏡，可清楚看到布料纖維的細(xì)節(jié)特征，精度高達(dá)2μm。后來(lái)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的文章中，不少高清精美的纖維結(jié)構(gòu)微觀圖正是出自Vicenzi之手。另外，Vicenzi還動(dòng)手將啤酒冷卻器改造成簡(jiǎn)易加濕器，用膠帶將布料固定在上面。所有這些簡(jiǎn)易的實(shí)驗(yàn)設(shè)備幫助兩位科學(xué)家觀察并檢測(cè)各種布料樣本的屬性：孔隙率、織物經(jīng)緯密度、織物線厚度和成分等，從而揭示布料如何抵御小小的病毒顆粒。

Vicnezi從去年4月開(kāi)始動(dòng)手搭建的居家實(shí)驗(yàn)室丨來(lái)源：Ed Vicnezi

與他倆相比，Radney和Zangmeister要幸運(yùn)得多，他們獲得特殊許可，可以在疫情期間去實(shí)驗(yàn)室工作。那段時(shí)間，倆人不斷往返于Weaver和Vicenzi兩人的家，給居家科學(xué)家?guī)ヒ话剂蠘颖?。在單位?shí)驗(yàn)室里，他們以氯化鈉模擬新冠病毒，用“神奇噴射瓶”發(fā)射不同尺寸的小顆?；蛘邭馊苣z，直徑從50納米到825納米不等，觀察這些顆粒穿透封閉試管中布料的情況，測(cè)量布料兩面顆粒數(shù)量的比例，從而判斷每一種布料的過(guò)濾效果。

很快到了2020年6月，4人小組的成果迅速發(fā)表在ACS Nano（《ACS 納米》）期刊上[1]，掀起了不小的關(guān)注熱潮。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這篇文章上線之后，迄今瀏覽量已超過(guò)了6.4萬(wàn)次，成為該期刊2020年的頭條文章。

顯微鏡下幾種防護(hù)效果最好的布料放大圖像：A. 100%棉，毛巾，B1和B2分別是100%棉，輕質(zhì)法蘭絨的外表面和內(nèi)表面，C. 100%滌綸，成衣面料，D.100%棉，枕套，E.100% 滌綸短纖丨來(lái)源：ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200

根據(jù)論文描述，這四位科學(xué)家選擇了32種布料，測(cè)量了它們的過(guò)濾效率（Filtration efficiency）、壓差（differential pressure）、品質(zhì)因數(shù)（quality factor）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（construction parameters）。同時(shí)還與外科手術(shù)口罩和N95口罩所使用的7種聚丙烯纖維過(guò)濾材料做了對(duì)比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，100%棉法蘭絨的病毒顆粒抵御效果表現(xiàn)最佳，且不亞于N95口罩，緊接其后的是機(jī)織合成纖維。如果在法蘭絨的基礎(chǔ)上再添加一至兩層過(guò)濾層，諸如HEPA（high efficiency particulate air filter）過(guò)濾網(wǎng)、咖啡濾布或者其他可捕獲微小氣溶膠顆粒的材料，口罩的防御能力則更上一層樓。

那么，N95口罩是怎么做的呢？N95口罩的原型來(lái)自于1958年美國(guó)時(shí)尚編輯Sara Little Turnbull的女性內(nèi)衣罩杯設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過(guò)不斷改造，最終成型的口罩可以阻擋95%與新冠病毒顆粒大小相當(dāng)?shù)臍馊苣z。一般來(lái)說(shuō)，單個(gè)病毒顆粒直徑約為110納米，但據(jù)Zangmeister的記錄，新冠肺炎患者呼氣中的病毒團(tuán)包裹在蛋白質(zhì)和鹽分內(nèi)，直徑最大可達(dá)一兩微米。工業(yè)上制作N95口罩時(shí)，會(huì)使用熔融吹塑擠壓法（melt-blowing extrusion），讓N95的塑料纖維變形，如此一來(lái)，厚度不一的纖維束混合在一起，形成不同形狀及紋理，這一雜亂的混合織里讓氣溶膠無(wú)法通過(guò)口罩。

N95口罩內(nèi)部亂成一團(tuán)的塑料纖維結(jié)構(gòu)丨來(lái)源：Ed Vicenzi

Vicenzi團(tuán)隊(duì)的結(jié)構(gòu)成像揭示了布口罩不遜于N95口罩的防病毒顆粒機(jī)制。像法蘭絨這種常見(jiàn)的布料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)介于N95和滌綸之間。盡管其纖維是按照一定模式編織起來(lái)的，但仍然非常不規(guī)則。這是因?yàn)樵诜ㄌm絨的編織過(guò)程中，纖維束會(huì)從表面凸起，形成所謂的“絨毛”。研究人員推測(cè)，這種毛絨絨的表面不僅給布料提供了柔軟的觸感，還能像N95口罩一樣捕獲更多的氣溶膠顆粒。Vicenzi表示：“法蘭絨就是紡織界的N95。”

效果僅次于N95口罩的法蘭絨面料顯微結(jié)構(gòu)丨來(lái)源：Ed Vicenzi

2021年3月8日，團(tuán)隊(duì)的第二篇文章發(fā)表在ACS Applied Nano Materials（《ACS 應(yīng)用納米材料》）期刊上[2]，進(jìn)一步揭示了棉布口罩的另一優(yōu)勢(shì)：濕度加強(qiáng)口罩保護(hù)效力。

他們模擬了人呼吸時(shí)的高濕度環(huán)境，發(fā)現(xiàn)包含新冠病毒的飛沫來(lái)襲時(shí)，親水性布料（如純棉布料）的過(guò)濾效果會(huì)增強(qiáng)。原理比較容易理解：我們呼氣的濕度為100%，棉布口罩又具有吸水性，纖維吸水后大幅膨脹增粗，使微小的內(nèi)部空間更為狹小，氣溶膠愈發(fā)難以穿過(guò)口罩進(jìn)入鼻腔。

與此相比，N95口罩采用的合成塑料纖維則是疏水的，我們呼出的水汽會(huì)凝結(jié)在口罩內(nèi)側(cè)表面。Vicenzi打了個(gè)比方：“……就像嗡嗡飛的昆蟲撞上了捕蠅網(wǎng)，一接觸網(wǎng)的表面就被牢牢困住?！蓖恚诿蘅谡謨?nèi)部極為潮濕的環(huán)境中，氣溶膠顆粒因吸水而變大，最終而困陷于狹小的空間中。

干濕材料對(duì)比之下，棉布口罩的過(guò)濾和防護(hù)效果模擬圖?？梢?jiàn)通過(guò)干燥織物（a圖）的氣溶膠顆粒要多于通過(guò)潮濕織物（b圖）的顆粒丨來(lái)源：Hydration of Hydrophilic Cloth Face Masks Enhances the Filtration of Nanoparticles

不過(guò)，這并不表示佩戴口罩前需要用水浸泡一下，而是說(shuō)如果你一直佩戴棉布口罩，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，口罩內(nèi)濕潤(rùn)的過(guò)濾層會(huì)增強(qiáng)病毒防護(hù)效果。

眾所周之，在新冠疫情蔓延之初，是否必須佩戴口罩這一議題，曾在全球引起廣泛爭(zhēng)議。Vicenzi團(tuán)隊(duì)的研究揭示了口罩阻擋病毒顆粒的結(jié)構(gòu)機(jī)制，證明了中國(guó)一直堅(jiān)持的做法是正確的：疫情期間，人人都應(yīng)佩戴口罩，保護(hù)自己和他人的健康。

2021年5月，一篇發(fā)表在Science（《科學(xué)》）雜志上的研究[3]再次從理論上證明了日常生活中佩戴口罩減少新冠病毒傳播的觀點(diǎn)。在公共環(huán)境中，我們都無(wú)法避免吸入他人呼出的空氣，尤其是在病毒濃度最高的醫(yī)院，即使是防護(hù)效果最高的醫(yī)用口罩，如果不穿防護(hù)服，保持通風(fēng)，也無(wú)法提供足夠的保護(hù)效力。但在普通人的生活環(huán)境中，人們呼出的氣溶膠內(nèi)新冠病毒濃度并不高，屬于病毒有限環(huán)境（virus-limited regime），只要大家都佩戴口罩，哪怕是最簡(jiǎn)單的一次性外科手術(shù)口罩，就能有效減少可能接觸到的病毒，同時(shí)也更好地過(guò)濾殘余病毒，進(jìn)一步降低感染率。總而言之，若要取得最佳防護(hù)效果，患者和健康人都要佩戴好口罩，同時(shí)保持良好的通風(fēng)和社交距離。

在病毒有限環(huán)境中，即普通人生活的環(huán)境，佩戴口罩和不佩戴口罩的差異，紅點(diǎn)代表包含新冠病毒的氣溶膠顆粒，而綠點(diǎn)代表不包含病毒的氣溶膠顆粒。丨來(lái)源：Tinu CA from www.freeicons.io, distributed under CC-BY 3.0.

全球抗疫是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)性活動(dòng)，人類行為做出的微小改變，可能會(huì)極大改變病毒傳播的軌跡和效果。新冠病毒演化至今的毒株Omicron傳染性極強(qiáng)，更需要我們做好防疫三件套，保護(hù)自己和家人朋友的健康。當(dāng)無(wú)法購(gòu)買到充足的N95口罩或其他口罩時(shí)，我們不妨自己動(dòng)手制作花色合意的棉布口罩，既保護(hù)自己，也保護(hù)環(huán)境。畢竟，科學(xué)研究和生活實(shí)踐都證明了佩戴口罩的實(shí)際意義，這確實(shí)是我們普通大眾對(duì)抗疫情的最有力武器之一。

原文參考：

https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/using-store-bought-microscopes-and-eye-detail-heres-what-smithsonian-scientists-have-learned-about-mask-effectiveness-180977216/

參考文獻(xiàn)

[1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05025

[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c03319

[3] https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1439

[4] https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218