新冠病毒肆虐，你買到口罩了么？
2019年年末的新冠病毒(COVID-19)已影響全球數(shù)百萬人，并對(duì)公共衛(wèi)生和全球經(jīng)濟(jì)造成深遠(yuǎn)影響。在疫情高發(fā)時(shí)期，防護(hù)口罩是最為短缺的醫(yī)療物質(zhì)之一。為了緩解這一問題，人們提出了不同的方法(紫外輻照、洗滌以及烘烤等方式)來凈化這些面罩，試圖對(duì)口罩重復(fù)使用。盡管上述一些方法能起到凈化口罩的作用，但與此同時(shí)都會(huì)導(dǎo)致口罩的熔噴過濾層過濾效率降低。例如，采用一定劑量紫外輻射對(duì)口罩進(jìn)行消毒是一種可行且高效的方法，但當(dāng)口罩存在多層結(jié)構(gòu)時(shí)，其紫外線的穿透性可能較差，導(dǎo)致病毒可能不會(huì)被完全滅活。另一方面，在COVID-19大流行期間，使用熱水(<100?C)洗滌口罩已成為最有希望的去污方法之一，因?yàn)樗鼘?duì)熔噴層幾乎沒有破壞。但盡管已證明COVID-19能有效地通過濕熱滅活，但尚未探明滅活溫度及濕度對(duì)病毒活性的影響及關(guān)系。
研究成果
近日，美國斯坦福大學(xué)的崔屹和諾獎(jiǎng)得主朱棣文等合作在醫(yī)療物質(zhì)高效循環(huán)利用方面取得重要進(jìn)展。在這項(xiàng)研究中，作者利用三種病毒包括(SARS-CoV-2)在環(huán)境溫度(60~95℃)或100%相對(duì)濕度(RH)下對(duì)熔噴織物進(jìn)行消毒。該織物是N95級(jí)防護(hù)口罩中負(fù)責(zé)過濾細(xì)顆粒的主要成分，并結(jié)合過濾效率測試進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。作者發(fā)現(xiàn)，在100%相對(duì)濕度下，在75℃、30分鐘或85℃、20分鐘的熱處理可以有效地去除SARS-CoV-2、人類冠狀病毒NL63(HCoV-NL63)和另一種包膜RNA病毒，且不會(huì)降低熔噴織物的過濾效率，為醫(yī)療物質(zhì)的高效循環(huán)使用提供了科學(xué)指導(dǎo)。該工作以標(biāo)題“Decontamination ofSARS-CoV-2 and Other RNA Viruses from N95 Level Meltblown Polypropylene FabricUsing Heat under Different Humidities” 發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊ACS Nano上。
【熔噴層的微結(jié)構(gòu)及粘附作用】
圖1. 氣溶膠加載前后熔噴織物的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
熔噴布作為構(gòu)成防護(hù)口罩關(guān)鍵組成部分，在熔噴布制造過程中，高速空氣吹入熔融聚合物，形成以不同方向延伸并纏繞成網(wǎng)狀的細(xì)絲。當(dāng)用于防護(hù)口罩時(shí)，由于靜電吸附，該層帶有靜電電荷以顯著提高織物對(duì)小顆粒物的過濾能力。熔噴織物的微結(jié)構(gòu)表明，熔噴織物由直徑2-10 μm的超細(xì)纖維構(gòu)成，它們相互交叉形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。熔噴纖維通常是帶靜電的，以增加對(duì)粒子的吸附力，從而在不增加空氣阻力的情況下獲得更高的過濾效率。為了測試熔噴纖維的粒子吸附，作者使用氯化鈉溶液作為氣溶膠源，并將NaCl氣溶膠加載到熔噴織物上。SEM圖像清晰地顯示NaCl顆粒吸附在熔噴纖維上。
【溫度對(duì)熔噴層過濾性能的影響】
圖2. 不同溫度下多次處理后熔噴織物的過濾性能。
熔噴織物作為空氣過濾系統(tǒng)中小顆粒物的主要過濾材料，其熔噴層的質(zhì)量通常來評(píng)價(jià)過濾面罩的過濾效果。因此，若觀察到熔噴織物在處理后不受影響，預(yù)計(jì)整個(gè)面罩的過濾性能不會(huì)受到影響。單獨(dú)評(píng)估熔噴織物，特別是單層熔噴織物，可以直接評(píng)價(jià)過濾面罩的過濾性能的優(yōu)劣。首先，使用密度為20 g/m2的熔噴織物，初始效率約為95%，以模擬多次處理循環(huán)中加熱后過濾效率的變化。
溫度對(duì)熔噴織物的過濾效率影響幾何？
首先，在低濕度（≤30%）條件下對(duì)熔噴織物進(jìn)行熱處理后進(jìn)行過濾效率測試，以確定熱處理溫度的上限。結(jié)果表明，織物從75℃到100℃處理后，面罩的過濾效率沒有明顯的變化。然而，在125℃下加熱會(huì)導(dǎo)致第五個(gè)循環(huán)的過濾效率急劇下降，導(dǎo)致過濾效率約為90%。同時(shí)，在不同溫度下進(jìn)行熱處理時(shí)，織物的空氣阻力沒有明顯的變化，這表明材料的物理結(jié)構(gòu)和孔隙率保持不變。
為何高溫處理后熔噴織物的過濾效率會(huì)降低？
高溫條件下有可能降低熔噴纖維上的靜電電荷。這一現(xiàn)象主要?dú)w因于聚丙烯是熔噴織物的主要成分，其熔點(diǎn)在130~171℃之間。因此，當(dāng)溫度接近熔點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶結(jié)構(gòu)會(huì)變得更加松弛，這可能會(huì)通過電荷松弛或其他方式影響織物的過濾性能。
【濕度對(duì)熔噴層過濾性能的影響】
圖3. 在熔噴織物在100%濕度下處理時(shí)SARS-CoV-2的熱滅活更有效。
本文關(guān)鍵點(diǎn)在于確定熱處理和濕度條件，這些條件是保證滅活熔噴織物上的SARS-CoV-2的關(guān)鍵。作者將病毒與磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)或牛血清白蛋白(BSA)按10:1的比例混合，最終濃度為3g/L，以模擬體液(如痰液)的情況。值得注意的是，在所有測試條件下都可以檢測到病毒，盡管95℃處理大大降低了病毒滴度，檢測到的病毒量接近LOD檢測限。
空氣濕度對(duì)病毒滅活效率影響幾何？
空氣濕度通常被認(rèn)為是對(duì)病毒滅活的一個(gè)很重要的因素，因此在進(jìn)行熱滅活研究時(shí)應(yīng)將其考慮在內(nèi)。因此，測試了在熔噴織物上SARS-CoV-2是否能在100% RH下被加熱滅活。為了達(dá)到100%的相對(duì)濕度，作者將100 μL的水加入到每根熔噴織物的底部，而不接觸織物。利用這些濕熱條件，可以明顯地觀察到滅活效果得到改善。在沒有牛血清白蛋白的情況下，當(dāng)樣本在60℃下培養(yǎng)30分鐘時(shí)，病毒滴度下降了3log10倍，在75℃~95℃的溫度范圍內(nèi)，無法檢測到病毒。在60?C條件下，在BSA中培養(yǎng)30分鐘，并在100%相對(duì)濕度下，病毒滴度下降了2 log10倍，而在環(huán)境濕度條件下，病毒的滴度下降了1 log10倍。
【病毒滅活普適性研究】
圖4. 在熔噴織物上，100%濕度下(+)ssRNA病毒CHIKV-181/25和HCoV-NL63的滅活效果。
該種滅活法對(duì)其他冠狀病毒是否也有效？
為了驗(yàn)證該方法是否適用于其他冠狀病毒的滅活，作者還測試了人類冠狀病毒HCoV-NL63和另一種(+)ssRNA包膜病毒CHIKV-181/25的熱敏感性。在60?C或75?C下30分鐘，HCoV-NL63滴度分別降低1.5 log10倍左右，而CHIKV-181/25在這兩種條件下都降低了1 log10倍左右。在較高溫度下，HCoV-NL63和CHIKV-181/25的穩(wěn)定性相當(dāng)，在85℃下20分鐘或95℃下5分鐘降低約2.5 log10倍。HCoV-NL63和CHIKV-181/25在40%環(huán)境相對(duì)濕度中失活，SARS-CoV-2在60%環(huán)境相對(duì)濕度中失活。與SARS-CoV-2相比，HCoV-NL63和CHIKV-181/25對(duì)熱失活的耐受性增強(qiáng)。
病毒在熔噴織物上的熱耐受性幾何？
在100%RH和無BSA的條件下，HCoVNL63和CHIKV-181/25在60?C下加熱30分鐘后降低了2 log10。當(dāng)加入BSA時(shí)，HCoV-NL63比CHIKV-181/25更穩(wěn)定。在60℃加熱30分鐘后，CHIKV-181/25滴度降低了2 log10倍，而HCoV-NL63滴度僅降低了1 log10倍。另外，在75℃下熱處理30分鐘后，CHIKV-181/25滴度降低了4 log10倍，而HCoV-NL63的滴度降低了2 log10倍。綜上所述，這些結(jié)果表明濕熱處理是一種有效的凈化防護(hù)面罩上SARS-CoV-2和其他RNA病毒的方法。
小結(jié)：這項(xiàng)研究表明，在當(dāng)前和未來的傳染病大流行期間，各種醫(yī)用或家用設(shè)備（取暖器、熱循環(huán)器、烘烤器等）可能用于醫(yī)療物資的消毒，這對(duì)于醫(yī)療物質(zhì)短缺會(huì)起到極大的緩解作用。最后，值得注意的是，雖然經(jīng)過多次循環(huán)測試后，面罩的過濾性能沒有受到影響，但本研究并未評(píng)估面罩的綜合性能，這是接下來研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。
文獻(xiàn)題目：
Decontaminationof SARS-CoV-2 and Other RNA Viruses from N95 Level Meltblown PolypropyleneFabric Using Heat under Different Humidities
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