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崔屹联手诺奖得主朱棣文《ACS Nano》:掌握这一技巧,口罩荒不再有!-岩拓气凝胶

崔屹联手诺奖得主朱棣文《ACS Nano》:掌握这一技巧,口罩荒不再有!

新冠病毒肆虐,你买到口罩了么?

2019年年末的新冠病毒(COVID-19)已影响全球数百万人,并对公共卫生和全球经济造成深远影响。在疫情高发时期,防护口罩是最为短缺的医疗物质之一。为了缓解这一问题,人们提出了不同的方法(紫外辐照、洗涤以及烘烤等方式)来净化这些面罩,试图对口罩重复使用。尽管上述一些方法能起到净化口罩的作用,但与此同时都会导致口罩的熔喷过滤层过滤效率降低。例如,采用一定剂量紫外辐射对口罩进行消毒是一种可行且高效的方法,但当口罩存在多层结构时,其紫外线的穿透性可能较差,导致病毒可能不会被完全灭活。另一方面,在COVID-19大流行期间,使用热水(<100˚C)洗涤口罩已成为最有希望的去污方法之一,因为它对熔喷层几乎没有破坏。但尽管已证明COVID-19能有效地通过湿热灭活,但尚未探明灭活温度及湿度对病毒活性的影响及关系。

研究成果

近日,美国斯坦福大学的崔屹和诺奖得主朱棣文等合作在医疗物质高效循环利用方面取得重要进展。在这项研究中,作者利用三种病毒包括(SARS-CoV-2)在环境温度(60~95℃)或100%相对湿度(RH)下对熔喷织物进行消毒。该织物是N95级防护口罩中负责过滤细颗粒的主要成分,并结合过滤效率测试进行了相关实验。作者发现,在100%相对湿度下,在75℃、30分钟或85℃、20分钟的热处理可以有效地去除SARS-CoV-2、人类冠状病毒NL63(HCoV-NL63)和另一种包膜RNA病毒,且不会降低熔喷织物的过滤效率,为医疗物质的高效循环使用提供了科学指导。该工作以标题“Decontamination ofSARS-CoV-2 and Other RNA Viruses from N95 Level Meltblown Polypropylene FabricUsing Heat under Different Humidities” 发表于国际顶级学术期刊ACS Nano上。

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【熔喷层的微结构及粘附作用】

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图1. 气溶胶加载前后熔喷织物的扫描电子显微镜(SEM)图像。

熔喷布作为构成防护口罩关键组成部分,在熔喷布制造过程中,高速空气吹入熔融聚合物,形成以不同方向延伸并缠绕成网状的细丝。当用于防护口罩时,由于静电吸附,该层带有静电电荷以显著提高织物对小颗粒物的过滤能力。熔喷织物的微结构表明,熔喷织物由直径2-10 μm的超细纤维构成,它们相互交叉形成三维网络结构。熔喷纤维通常是带静电的,以增加对粒子的吸附力,从而在不增加空气阻力的情况下获得更高的过滤效率。为了测试熔喷纤维的粒子吸附,作者使用氯化钠溶液作为气溶胶源,并将NaCl气溶胶加载到熔喷织物上。SEM图像清晰地显示NaCl颗粒吸附在熔喷纤维上。

【温度对熔喷层过滤性能的影响】

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图2. 不同温度下多次处理后熔喷织物的过滤性能。

熔喷织物作为空气过滤系统中小颗粒物的主要过滤材料,其熔喷层的质量通常来评价过滤面罩的过滤效果。因此,若观察到熔喷织物在处理后不受影响,预计整个面罩的过滤性能不会受到影响。单独评估熔喷织物,特别是单层熔喷织物,可以直接评价过滤面罩的过滤性能的优劣。首先,使用密度为20 g/m2的熔喷织物,初始效率约为95%,以模拟多次处理循环中加热后过滤效率的变化。

温度对熔喷织物的过滤效率影响几何?

首先,在低湿度(≤30%)条件下对熔喷织物进行热处理后进行过滤效率测试,以确定热处理温度的上限。结果表明,织物从75℃到100℃处理后,面罩的过滤效率没有明显的变化。然而,在125℃下加热会导致第五个循环的过滤效率急剧下降,导致过滤效率约为90%。同时,在不同温度下进行热处理时,织物的空气阻力没有明显的变化,这表明材料的物理结构和孔隙率保持不变。

为何高温处理后熔喷织物的过滤效率会降低?

高温条件下有可能降低熔喷纤维上的静电电荷。这一现象主要归因于聚丙烯是熔喷织物的主要成分,其熔点在130~171℃之间。因此,当温度接近熔点时,结晶结构会变得更加松弛,这可能会通过电荷松弛或其他方式影响织物的过滤性能。

【湿度对熔喷层过滤性能的影响】

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图3. 在熔喷织物在100%湿度下处理时SARS-CoV-2的热灭活更有效。

本文关键点在于确定热处理和湿度条件,这些条件是保证灭活熔喷织物上的SARS-CoV-2的关键。作者将病毒与磷酸盐缓冲盐水(PBS)或牛血清白蛋白(BSA)按10:1的比例混合,最终浓度为3g/L,以模拟体液(如痰液)的情况。值得注意的是,在所有测试条件下都可以检测到病毒,尽管95℃处理大大降低了病毒滴度,检测到的病毒量接近LOD检测限。

空气湿度对病毒灭活效率影响几何?

空气湿度通常被认为是对病毒灭活的一个很重要的因素,因此在进行热灭活研究时应将其考虑在内。因此,测试了在熔喷织物上SARS-CoV-2是否能在100% RH下被加热灭活。为了达到100%的相对湿度,作者将100 μL的水加入到每根熔喷织物的底部,而不接触织物。利用这些湿热条件,可以明显地观察到灭活效果得到改善。在没有牛血清白蛋白的情况下,当样本在60℃下培养30分钟时,病毒滴度下降了3log10倍,在75℃~95℃的温度范围内,无法检测到病毒。在60˚C条件下,在BSA中培养30分钟,并在100%相对湿度下,病毒滴度下降了2 log10倍,而在环境湿度条件下,病毒的滴度下降了1 log10倍。

【病毒灭活普适性研究】

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图4. 在熔喷织物上,100%湿度下(+)ssRNA病毒CHIKV-181/25和HCoV-NL63的灭活效果。

该种灭活法对其他冠状病毒是否也有效?

为了验证该方法是否适用于其他冠状病毒的灭活,作者还测试了人类冠状病毒HCoV-NL63和另一种(+)ssRNA包膜病毒CHIKV-181/25的热敏感性。在60˚C或75˚C下30分钟,HCoV-NL63滴度分别降低1.5 log10倍左右,而CHIKV-181/25在这两种条件下都降低了1 log10倍左右。在较高温度下,HCoV-NL63和CHIKV-181/25的稳定性相当,在85℃下20分钟或95℃下5分钟降低约2.5 log10倍。HCoV-NL63和CHIKV-181/25在40%环境相对湿度中失活,SARS-CoV-2在60%环境相对湿度中失活。与SARS-CoV-2相比,HCoV-NL63和CHIKV-181/25对热失活的耐受性增强。

病毒在熔喷织物上的热耐受性几何?

在100%RH和无BSA的条件下,HCoVNL63和CHIKV-181/25在60˚C下加热30分钟后降低了2 log10。当加入BSA时,HCoV-NL63比CHIKV-181/25更稳定。在60℃加热30分钟后,CHIKV-181/25滴度降低了2 log10倍,而HCoV-NL63滴度仅降低了1 log10倍。另外,在75℃下热处理30分钟后,CHIKV-181/25滴度降低了4 log10倍,而HCoV-NL63的滴度降低了2 log10倍。综上所述,这些结果表明湿热处理是一种有效的净化防护面罩上SARS-CoV-2和其他RNA病毒的方法。

小结:这项研究表明,在当前和未来的传染病大流行期间,各种医用或家用设备(取暖器、热循环器、烘烤器等)可能用于医疗物资的消毒,这对于医疗物质短缺会起到极大的缓解作用。最后,值得注意的是,虽然经过多次循环测试后,面罩的过滤性能没有受到影响,但本研究并未评估面罩的综合性能,这是接下来研究需要关注的重点。

文献题目:

Decontaminationof SARS-CoV-2 and Other RNA Viruses from N95 Level Meltblown PolypropyleneFabric Using Heat under Different Humidities

文献链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06565

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