科学家们设计了一款定制的可充电N95口罩

在大流行的早期，在所有的不确定之中，有一件事是肯定的:N95口罩——一种可以过滤病毒、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(Jeff Urban)和彼得·霍西曼(Peter Hosemann)听说当地的一个保健组织需要N95替代品的建议时，他们立刻知道该怎么做:做一个更好的口罩。

霍斯曼接了电话，发现卫生维护组织的医生和供应经理想知道如何制作有效的抗病毒口罩，以及如何验证他们发现的口罩是否真的有效。

“了解他们的需求是有助于的，以及我们如何填写和帮助支持他们的使命，”Hosemann表示，劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和欧内斯特S的材料科学家。在UC Berkeley的工程中Kuh椅。

“幸运的是，彼得和我刚刚开始合作，因为我们都开始在实验室层面上研究类似的想法，”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主管。

城市和Hosemann正在回应伯克利实验室范围内的研究思想，以支持COVID-19，最终通过国家虚拟生物技术实验室（NVBL），这是一家与核心能力相关的国家虚拟生物技术实验室（NVBL）的接受支持对Covid-19构成的威胁，并根据冠状病毒援助，救济和经济安全（关心）法案。

厄本说:“我们和其他许多人一样，看到了PPE(个人防护设备)供应链的缺陷，甚至看到了现有设备的功能缺陷，因此我们认为这是一个重要的重点领域。”

当涉及保护您免受Covid-19或其他病毒感染时，N95面具是黄金标准。它们通常由紧密编织的聚丙烯层制成，滤除至少95％的非常小颗粒在亚微米(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。这些混杂的纤维会产生静电，吸引并捕获病毒颗粒。

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，特别是在戴了一整天之后。厄本说，这是因为当我们呼气时，我们会从口腔和肺部排出水分——如果我们长时间戴着N95口罩，水分最终会消耗掉捕捉病毒纤维上的静电电荷。

专家还说，有效的N95口罩应该在你的面部形成一个紧密而舒适的密封。否则，即使是很小的缝隙也会让病毒颗粒轻易地通过口鼻进入你的呼吸系统。

蓝图更好的N95口罩

Urban和Hosemann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N95硅树脂口罩和一个可充电的金属网有源过滤器来解决长期过滤效率的问题。

Hosemann解释说，金属丝网有助于捕获和中和病毒粒子。“这个网格过滤器可以充电，因此掩模本身可以是可重复使用的，这是一个关键优势，”他说。“最终的愿景是用过滤器电池盒制作面具，您可以在一夜之间插入并充电，如手机。”

为了管理与拟合和PPE短缺相关的问题，科学家们正在开发3-D可打印的硅树脂铸模，用于面罩的主体。

掺入硅树脂铸造中的金属线允许掩模符合大多数面。

在PPE短缺情况下，三维可打印的模具将允许任何人 - 来自DIY Hobbyist，在学校或医院提供职员 - 使硅胶N95面具随需需求，并且具有短的交货时间，Hosemann表示。

“如果原材料可用，则3-D印刷和铸件的组合是一种强大的方法，可以快速生产不可用的PPE，”他补充说。

科学家们还设计了硅胶口罩，使其与商用的N95过滤器或可充电滤网过滤器相结合。

在设计可重复使用口罩的原型时，科学家们还考虑到了N95口罩和过滤器在从事体力劳动时经常佩戴。“如果你在做体力劳动，像许多一线工人一样，有能力在不损害你的健康的情况下更充分地呼吸，将是理想的防护口罩的一个重要特征，”Urban说。

为了测试面具原型对病毒大小的小颗粒的渗透性，科学家们与加州大学伯克利分校的环境工程教授Evan Variano和机械工程助理教授Simo Makiharju合作，使用荧光颗粒测试。霍斯曼说，荧光粒子跟踪粒子在制作的口罩内和周围的分布。

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，将同样的荧光纳米颗粒技术用于未来的过滤效率测试。

可3d打印的硅树脂铸造模具和可充电的N95过滤器仍处于研发的早期阶段，但Urban和Hosemann说他们正在迅速取得进展。科学家们正在开发一种N95现场质量评估测试，通过Molecular Foundry的用户程序为医疗行业研究人员和医院进行测试。

“看看国家实验室研究人员如何对理解大流行相关问题，概念化解决方案，与未来的分子代工厂用户沟通，并在七个月内交付原型，”伯克利实验室的概念国家实验室宽制造NVBL研究努力。

科学家们将此归功于加州大学伯克利分校核工程系本科生研究员Jason Duckering和研究工程师Jeff Bickel的工作。Hosemann说:“Jason和Jeff的工程技能对这项工作起了重要作用。”

该团队，包括博士后研究员Chaochao Dun和Jaeyoo Choi，在三月开始，在三月开始，在整个大流行中建立了面具和粒子测试。

“我们真的很高兴能把这个新的N95用户程序引入到可充电手机的开发中面具， 3d打印口罩模具和质量评估颗粒测试伯克利实验室的分子铸造，”Urban说。“很高兴知道我们开发的东西将会对真正的应用产生立竿见影的影响，这些应用可以帮助很多人。”

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