N95買不到怎麼出門？試試DIY一個棉布口罩_風聞

法蘭絨，紡織界的N95。

撰文 | 小葉

隨着國內防疫政策的開放，某些地區再次出現藥品和防疫物資供不應求的情況，這讓我們想起疫情初期，曾有一段時間全球口罩供不應求。那時，有一羣科學家，他們想出辦法自制口罩，同時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啓居家遠程工作模式，科學家們也不例外。Edward Vicenzi是美國史密森尼博物館保護學院（Smithsonian Museum Conservation Institute，以下簡稱MCI）的科學家研究員，疫情之前的主要工作是使用各種精密設備檢查稀有的古代物品遺蹟。Jamie Weaver是美國國家標準與技術研究院（National Institute of Standards and Technology，以下簡稱NIST）的化學家，調查前維京時代瑞典玻璃製品的化學性質。

這兩位科學家都精通材料研究，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家James Radney和Chris Zangmeister組成小隊，響應學界和衞生部門號召，發揮自己的專業知識和技能，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，美國疾病預防和控制中心（Centers for Disease Control and Prevention，以下簡稱CDC）曾在官網上示範並教授3種方法自制簡易布口罩。為了增強防護效果，還建議在自制口罩內再佩戴一隻一次性外科口罩。

曾經掛在美國CDC官網上的口罩製作步驟。不過每個人動手能力不同，個人DIY口罩的效果參差不齊，且後來市面上口罩供應充足，如今CDC已不再建議自制口罩，也註銷了DIY口罩頁面。

Weaver採用的就是上圖所展示的方法。需要使用縫紉機縫合，不過製作過程相當簡單：

1. 裁剪下兩塊長方形棉布（牀單、舊T恤也可以），長約25釐米，寬約15釐米；

2. 將其疊放在一起，上下左右四邊向內摺疊，然後用縫紉機縫合起來；

3. 隨後，取兩根長橡皮筋，穿過口罩的兩條短邊並打結，將打好的結塞入邊縫中；

4. 調整好口罩和橡皮筋的位置後，將口罩貼合面部，固定好口罩形狀；

5. 最後將橡皮筋與邊縫牢固縫合，防止滑動。這樣，一個簡單的布口罩就製作好了。

自制口罩時，Weaver的家族背景發揮了不小的作用，她的姓氏Weaver就是“織布工”的意思。確實，家中祖輩五代人都是縫紉高手，收藏了各類紡織品。這次，Jamie本人踩着自己祖母用過的縫紉機，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口罩的科學家最先在期刊上發表了口罩材料研究，從左到右分別是：Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi和Christopher Zangmeister丨來源：NIST

布口罩製作過程簡單，但要找到防護效果優良的口罩面料並不容易。這也是四人小組研究的重點，他們閲讀了不少1918年大流感時期與口罩相關的文章。事實上，也正是1918年大流感的暴發，讓口罩從外科醫學專用器械走入大眾生活。

一篇1919年的文獻中描述了當時醫護人員佩戴的自制醫用口罩，以及口罩的製作方法，CDC給出的方法與之類似。丨來源：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遠離了實驗室先進的設備。不過，既然DIY口罩難不倒他們，DIY實驗室自然也不在話下。他們從沃爾瑪超市以每台不到30美元的價格買到了一批簡易顯微鏡。Vicenzi又在網上找到了高分辨率顯微鏡，可清楚看到布料纖維的細節特徵，精度高達2μm。後來團隊發表的文章中，不少高清精美的纖維結構微觀圖正是出自Vicenzi之手。另外，Vicenzi還動手將啤酒冷卻器改造成簡易加濕器，用膠帶將布料固定在上面。所有這些簡易的實驗設備幫助兩位科學家觀察並檢測各種布料樣本的屬性：孔隙率、織物經緯密度、織物線厚度和成分等，從而揭示布料如何抵禦小小的病毒顆粒。

Vicnezi從去年4月開始動手搭建的居家實驗室丨來源：Ed Vicnezi

與他倆相比，Radney和Zangmeister要幸運得多，他們獲得特殊許可，可以在疫情期間去實驗室工作。那段時間，倆人不斷往返於Weaver和Vicenzi兩人的家，給居家科學家帶去一包包布料樣本。在單位實驗室裏，他們以氯化鈉模擬新冠病毒，用“神奇噴射瓶”發射不同尺寸的小顆粒或者氣溶膠，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，測量布料兩面顆粒數量的比例，從而判斷每一種布料的過濾效果。

很快到了2020年6月，4人小組的成果迅速發表在ACS Nano（《ACS 納米》）期刊上[1]，掀起了不小的關注熱潮。據統計，這篇文章上線之後，迄今瀏覽量已超過了6.4萬次，成為該期刊2020年的頭條文章。

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

根據論文描述，這四位科學家選擇了32種布料，測量了它們的過濾效率（Filtration efficiency）、壓差（differential pressure）、品質因數（quality factor）和結構參數（construction parameters）。同時還與外科手術口罩和N95口罩所使用的7種聚丙烯纖維過濾材料做了對比。結果發現，100%棉法蘭絨的病毒顆粒抵禦效果表現最佳，且不亞於N95口罩，緊接其後的是機織合成纖維。如果在法蘭絨的基礎上再添加一至兩層過濾層，諸如HEPA（high efficiency particulate air filter）過濾網、咖啡濾布或者其他可捕獲微小氣溶膠顆粒的材料，口罩的防禦能力則更上一層樓。

那麼，N95口罩是怎麼做的呢？N95口罩的原型來自於1958年美國時尚編輯Sara Little Turnbull的女性內衣罩杯設計思路，經過不斷改造，最終成型的口罩可以阻擋95%與新冠病毒顆粒大小相當的氣溶膠。一般來説，單個病毒顆粒直徑約為110納米，但據Zangmeister的記錄，新冠肺炎患者呼氣中的病毒團包裹在蛋白質和鹽分內，直徑最大可達一兩微米。工業上製作N95口罩時，會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，厚度不一的纖維束混合在一起，形成不同形狀及紋理，這一雜亂的混合織裏讓氣溶膠無法通過口罩。

N95口罩內部亂成一團的塑料纖維結構丨來源：Ed Vicenzi

Vicenzi團隊的結構成像揭示了布口罩不遜於N95口罩的防病毒顆粒機制。像法蘭絨這種常見的布料，內部結構介於N95和滌綸之間。儘管其纖維是按照一定模式編織起來的，但仍然非常不規則。這是因為在法蘭絨的編織過程中，纖維束會從表面凸起，形成所謂的“絨毛”。研究人員推測，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。”

效果僅次於N95口罩的法蘭絨面料顯微結構丨來源：Ed Vicenzi

2021年3月8日，團隊的第二篇文章發表在ACS Applied Nano Materials（《ACS 應用納米材料》）期刊上[2]，進一步揭示了棉布口罩的另一優勢：濕度加強口罩保護效力。

他們模擬了人呼吸時的高濕度環境，發現包含新冠病毒的飛沫來襲時，親水性布料（如純棉布料）的過濾效果會增強。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，纖維吸水後大幅膨脹增粗，使微小的內部空間更為狹小，氣溶膠愈發難以穿過口罩進入鼻腔。

與此相比，N95口罩採用的合成塑料纖維則是疏水的，我們呼出的水汽會凝結在口罩內側表面。Vicenzi打了個比方：“……就像嗡嗡飛的昆蟲撞上了捕蠅網，一接觸網的表面就被牢牢困住。”同理，在棉口罩內部極為潮濕的環境中，氣溶膠顆粒因吸水而變大，最終而困陷於狹小的空間中。

乾濕材料對比之下，棉布口罩的過濾和防護效果模擬圖。可見通過乾燥織物（a圖）的氣溶膠顆粒要多於通過潮濕織物（b圖）的顆粒丨來源：Hydration of Hydrophilic Cloth Face Masks Enhances the Filtration of Nanoparticles

不過，這並不表示佩戴口罩前需要用水浸泡一下，而是説如果你一直佩戴棉布口罩，隨着時間延長，口罩內濕潤的過濾層會增強病毒防護效果。

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議。Vicenzi團隊的研究揭示了口罩阻擋病毒顆粒的結構機制，證明了中國一直堅持的做法是正確的：疫情期間，人人都應佩戴口罩，保護自己和他人的健康。

2021年5月，一篇發表在Science（《科學》）雜誌上的研究[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。在公共環境中，我們都無法避免吸入他人呼出的空氣，尤其是在病毒濃度最高的醫院，即使是防護效果最高的醫用口罩，如果不穿防護服，保持通風，也無法提供足夠的保護效力。但在普通人的生活環境中，人們呼出的氣溶膠內新冠病毒濃度並不高，屬於病毒有限環境（virus-limited regime），只要大家都佩戴口罩，哪怕是最簡單的一次性外科手術口罩，就能有效減少可能接觸到的病毒，同時也更好地過濾殘餘病毒，進一步降低感染率。總而言之，若要取得最佳防護效果，患者和健康人都要佩戴好口罩，同時保持良好的通風和社交距離。