科学家们设计了一种可充电的N95口罩
在大流行的早期，在所有的不确定性中，有一件事是肯定的:N95口罩——过滤病毒、细菌和野火烟雾的个人防护呼吸设备——供应短缺。因此，当材料科学家杰夫·厄本和彼得·霍西曼听说当地的卫生组织需要N95替代品的建议时，他们立即知道该怎么做:制作更好的口罩。
霍塞曼拿起电话，发现卫生保健组织的医生和供应经理想知道是什么制造出有效的抗病毒口罩，以及他们如何验证他们发现的口罩是否真的有用。
“了解他们的需求是什么，以及我们如何填补并帮助支持他们的使命是很有帮助的，”Hosemann说，他拥有劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)材料科学部的教师科学家头衔，以及加州大学伯克利分校工程学教授Ernest S. Kuh。
“幸运的是，彼得和我刚刚联合起来，因为我们都开始在实验室层面上研究相似的想法，”厄本说，他是伯克利实验室分子铸造厂无机纳米结构设施的负责人。
Urban和Hosemann是在响应伯克利实验室范围内的呼吁，寻求研究思路以支持抗击COVID-19，这最终导致他们得到了国家虚拟生物技术实验室(NVBL)的支持，NVBL是由能源部国家实验室组成的联盟，具有与COVID-19构成的威胁相关的核心能力，并由冠状病毒援助、救济和经济安全(CARES)法案资助。
厄本说:“我们和其他许多人一样，看到了个人防护装备供应链的缺陷，甚至是可用的功能的缺陷，所以我们认为这是一个需要关注的重要领域。”
说到保护你免受COVID-19或其他病毒感染，N95口罩是黄金标准。它们通常由紧密编织的聚丙烯层制成，可以过滤掉至少95%的空气污染物小颗粒在亚微米(百万分之一米)范围内，包括冠状病毒颗粒和野火烟雾中的颗粒物。这种混杂的纤维产生静电电荷，吸引并捕获病毒颗粒。
不过，尽管N95口罩的过滤效率很高，但也有其局限性。例如，专家建议不要重复使用N95口罩，尤其是在戴了一整天之后。厄本说，这是因为当我们呼气时，我们会将口腔和肺部的水分排出，如果我们长时间戴着N95口罩，这些水分最终会磨损病毒捕获纤维上的静电荷。
专家还表示，有效的N95口罩应该在面部周围形成紧密而舒适的密封。否则，即使是很小的缝隙也会让病毒颗粒很容易通过鼻子和嘴巴进入你的呼吸系统。
一个更好的N95掩模蓝图
厄本和豪斯曼表示，他们的联合研究旨在通过设计和制造一种可重复使用的有机硅N95面罩，该面罩带有可充电的丝网有源过滤器，以解决长期过滤器效率的问题。
霍塞曼解释说，丝网带有静电电荷，有助于捕获和中和病毒颗粒。他说:“这种网状过滤器可以充电，因此口罩本身可以重复使用，这是一个关键的优势。”“我们的终极目标是制造一种带有过滤电池盒的口罩，你可以像手机一样，插进去一夜充电。”
为了解决与贴合和个人防护装备短缺有关的问题，科学家们正在为口罩本体开发一种可3d打印的硅铸造模具。
一根金属丝与硅胶铸件结合在一起，使面具符合大多数面孔。
霍斯曼说，在个人防护装备短缺的情况下，3d打印模具可以让任何人——从DIY爱好者到学校或医院的后勤人员——按需制作硅胶N95口罩，而且交货时间短。
他补充说:“如果原材料可用，3d打印和简单部件的铸造相结合是快速生产不可用PPE的强大方法。”
科学家们还设计了硅胶面罩，可以与市售的N95过滤器或可充电滤网连接。
在设计可重复使用的口罩原型时，科学家们还考虑到在从事体力劳动时经常戴着N95口罩和过滤器。厄本说:“如果你像许多一线工人一样从事体力劳动，能够在不损害健康的情况下更充分地呼吸，这将是理想防护口罩的一个重要特征。”
为了测试这种口罩原型对病毒大小的小颗粒的不渗透性，科学家们与加州大学伯克利分校的环境工程教授埃文·瓦里亚诺(Evan Variano)和机械工程助理教授西莫·Mäkiharju合作，进行了荧光粒子测试。霍西曼说，荧光颗粒可以追踪制造的口罩内部和周围的颗粒分布。
科学家们将与伯克利实验室分子铸造厂的布鲁斯·科恩合作，在未来的过滤器效率测试中使用相同的荧光纳米颗粒技术。
3d打印的硅铸造模具和可充电的N95过滤器仍处于研发的早期阶段，但厄本和霍塞曼表示，他们正在迅速取得进展。科学家们正在通过Molecular Foundry的用户程序为医疗行业的研究人员和医院开发一种现场N95质量评估测试。
伯克利实验室全国实验室制造NVBL研究工作的负责人Deepti Tanjore说:“看到国家实验室的研究人员如何应用他们的专业知识来理解与大流行相关的问题，概念化解决方案，与未来的分子铸造用户沟通，并交付原型，这非常鼓舞人心。”
科学家们把功劳归于加州大学伯克利分校核工程系的本科生研究员杰森·达克林和研究工程师杰夫·比克尔的工作。“杰森和杰夫的工程技能对这一努力起到了重要作用，”霍塞曼说。
包括博士后chao Dun和Jaeyoo Choi在内的团队，从3月开始在大流行期间建立了口罩和颗粒测试。
“我们非常高兴能够为可充电电池的开发带来这个新的N95用户程序面具以及伯克利实验室分子铸造厂的质量评估颗粒测试，”Urban说。“很高兴知道我们开发的东西将对实际应用产生直接影响，可以帮助这么多人。”
