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从鸟嘴面具、伍氏口罩到N95,小小口罩见证人类抗疫“世界大战”

光明网 赵致真 2020-07-22 15:03

(点击播放视频)

《漫谈戴口罩》

【赵致真】

历史的转折常常并无预兆。2020年新冠病毒的全球大扫荡,也许永远改变了人类文明的进程。如果要为这场抗疫的“世界大战”寻找一个最简洁的符号和最概括的标志,大约是离不开口罩这一基本元素的。短短几个月间,口罩从不起眼的仓储角落里一飞冲天,成为举世疯抢的救命器材和战略物资。不少高端工业巨头都屈尊下就,紧急转型,开足马力生产口罩,并演绎出许多传奇故事。叫我们怎能不对这个“巴掌大、纸牌轻”的口罩刮目相看和重新认识呢?


戴口罩成为2020年全球抗疫的基本符号(图片来自网络)


抗疫宣传画(图片来自网络)

不需要过分高深的理论,遇到“腥秽之物”,古人都知道“掩鼻而过”,对呼吸道做本能遮拦。人类使用口罩的历史,可以追溯到非常久远的年代。17世纪欧洲爆发黑死病,“鸟嘴面具”曾成为医生身份的象征。


十七世纪防疫的“鸟嘴面具”(图片来自网络)

真正的医用口罩实际上起源于中国。1910年10月,西伯利亚土拨鼠引发了一场鼠疫,并由华工传入满洲里,随后酿成了席卷中国东北的鼠疫大流行,69个县惨遭荼毒,6万人死于非命。清廷派遣天津陆军军医学堂副监督伍连德全权主持抗疫大局。迅速查清病原是经飞沫和空气传染的“肺鼠疫”,严格实行隔离和焚烧逝者遗体,短短半年间,竟然一举扑灭了这场旷世瘟疫。伍连德留下的一项珍贵遗产,便是他亲手设计和大力推行的“伍氏口罩”:内外两层纱布,中间充填医用脱脂棉。廉价、便捷、高效,为保护一个民族的健康和生命立下了不世之功。


伍连德摄于1911年(图片来自网络)


伍连德建立的滨江防疫疑似病院(图片来自网络)


伍连德的抗疫医务人员(图片来自网络)


伍连德发明的伍氏口罩(图片来自网络)

1918年大流感,全球5000万人丧生。在和瘟疫的殊死搏斗中,佩戴口罩渐渐成为共识,如同前线战士需要戴上钢盔。但随后却被公众渐渐遗忘了。直到2003年SARS爆发,亚洲才开始重新找回口罩。而这次新冠病毒带来的旷世浩劫,终于让人类完成了对口罩重新发现和全球普及。


1918年大流感(图片来自网络)


1918年大流感中的美国红十字会派发口罩(图片来自网络)


1918年大流感中的纽约售票员(图片来自网络)


2003年SARS流行(图片来自网络)

如今在公共场所,大约没有比听到咳嗽和打喷嚏更令人心惊肉跳和退避三舍了。咳嗽,这种呼吸道的保护性反射,把肺中的空气压缩为1米多长的喷射流。携带着3000多个细小液滴,以每秒20多米的速度冲开声门,脱口而出。喷嚏甚至更糟糕,这是一个几乎调动了上半身众多肌群的爆发性痉挛,连极其衰弱的人也能打出强大的喷嚏,每次将40000个细小的液滴,以超过12级飓风的速度猛烈喷涌。咫尺相隔,同室相处,人们便不可避免地“以沫相濡”了。


咳嗽和喷嚏将飞沫排放在空气中(图片来自网络)

“气溶胶”的概念如今已经广为人知,说的是固体或液体微粒在空气中稳定悬浮的状态。高尔基的《海燕》中有这样的诗句:“狂风紧紧地抱起一堆巨浪,恶狠狠地扔到峭岩上,把这大块的翡翠摔成尘雾和水沫”。而接下来呢,这些“尘雾和水沫”将很快蒸发,在空中留下盐的微米级颗粒,形成大气中的海盐气溶胶。据统计,海洋每年以33亿吨的通量向空中撒盐。


大自然中气溶胶的形成(图片来自网络)

咳嗽和喷嚏是人体的“狂风”,也会把大量的唾液、鼻涕等分泌物“摔成尘雾和水沫”。甚至从高声喧哗到轻言细语,都能产生大大小小的飞沫,蒸发后留下飞沫核与其中的病毒,在空中形成气溶胶。和大海相比,人太渺小了。但如果变成了“人海”,如果在密闭狭小的空间,气溶胶就会成为病毒的“浓汤”。人类咳唾之间产生的飞沫,典型尺寸在0到200微米之间。世界卫生组织把当量直径5微米,作为大颗粒和小颗粒的分割点,也是飞沫传播和气溶胶传播的分界线。完全蒸发是一个相变。液态的飞沫变成了固态的飞沫核,湿的液滴变成了干的颗粒。这些飞沫核能在空气中悬浮一周并随风飘散,但浓度却和距离的立方成反比,以至于迅速减低到不能致病。


飞沫转化为气溶胶示意图(图片来自网络)

如何为不设防的呼吸道站岗放哨?如何切断新冠病毒传播链路?最简便、最廉价、最有效的办法,莫过于戴上口罩了。

市场上的口罩可谓琳琅满目,五花八门。防风保暖的棉布口罩,清洁作业的纸质口罩,吸附有机气体的活性炭口罩,还有自家制作的杂色口罩,应该说,在紧急情况下,哪一种口罩也“聊胜于无”,但却并非都是预防疫情的合格之选。让我们把目光投向两款主流口罩吧。


N95口罩功能示意图(图片来自网络)

N95,这是2003抗击非典后一战成名的王牌口罩,由聚氨酯和聚丙烯为基材的多层无纺布制成。顾名思义,无纺布不是由经纬纱线纺织出来,而是通过特殊工艺,让纤维随机排列和纠结而成。N代表非油性颗粒物,譬如炒菜的油烟就不在防护之列。95则代表过滤0.3微米颗粒物效率不低于95%。这里有必要审视一下0.3微米的特殊意义,根据美国科学家朗缪尔为曼哈顿工程设计防辐射尘埃过滤器时的发现,0.3微米是最难过滤、穿透力最强的微粒尺寸,小于0.3微米的颗粒物反而会因质量太轻、惯性力太弱而偏离空气流线,以近乎布朗运动方式扩散,从而更容易被吸附和捕获。


过滤微粒的机制(图片来自网络)

新型冠状病毒的平均直径为0.1微米,正好在N95口罩“关照”之下。何况病毒并非在空气中孤零零地“裸奔”,它们是“搭乘”着患者的飞沫四处旅行的。而最小的飞沫直径也有1-5微米,因此无法冲破N95口罩致密的罗网。

值得单独一提的是N95口罩的核心材料熔喷层。熔喷的概念最早来自火山喷发,根据岩浆不同的雷诺数和韦伯数,在空气中形成“贝利头发”和“贝利眼泪”。而生命世界中蚕和蜘蛛的抽丝,并做成完美的蚕茧和蛛网,也可以看做大自然的“熔喷无纺布”。当N95口罩的原料聚丙烯以熔融态从喷丝孔泻出,通过冷却和牵伸,在网帘和滚筒上形成无纺布,接着经高压电场处理成为驻极体,就带上了经久不衰的静电。空气中的颗粒物通过口罩时受静电吸附而纷纷落网,使N95口罩的过滤能力大为提高。


火山喷发岩浆形成的“贝利头发”和“贝利眼泪”(图片来自网络)


熔喷无纺布生产流程(图片来自网络)

N95口罩看上去如此简单,却要求正确规范的佩戴方法。无论是碗形和折叠型外观,先用清洁的手将它扣在口鼻上,依次把下面和上面的橡皮筋拉伸,套在脖子和头部。接着用两手的食指从内到外按压铝制鼻夹,使它和脸部起伏一致,并精细调整边缘,让口罩和脸部严丝合缝,达到无泄露的气密状态。当我们呼吸和说话时,能看到口罩相应的微小起伏,就表明佩戴正确无误了。对于暴露在病毒环境下,和患者密切接触的医护人员来说,N95口罩是久经考验的“忠诚卫士”。


佩戴N95口罩(图片来自网络)

但必须做一个重要提醒,N95口罩虽然高效可靠,却并非所有人在所有时刻都适合佩戴。这里不妨从呼吸的原理说起。

我们的肺是终生拉动的风箱。当横膈膜收缩并下移,肋间肌收缩并将肋骨上抬,共同带来胸腔的扩张。根据波义尔原理,肺部的气压降低到大气压以下,外部空气便会涌进肺中,于是吸气发生;反之,当横膈肌和肋间肌松弛后,我们的肺组织便会靠着弹性恢复到原来的尺寸,“被动”地将肺内的空气“呼出”。如此循环往复,确保氧气和二氧化碳的交换。


人类呼吸的机制(图片来自网络)

口罩作为呼吸通道上的物理性屏障,必然带来呼吸阻力增加。研究表明,佩戴N95口罩时,吸气和呼气的阻力分别增加126%和122%。这就意味着我们很难“呼吸自如”了,而需要“更努力的呼吸”,才能维持正常的压力梯度和空气流量。数据显示,连续佩戴N95口罩4小时后,空气交换量减少37%。二氧化碳分压增高,血氧饱和度降低,还能引起疲劳、头晕、头疼和热应激,在体力活动的情况下更容易造成呼吸困难。因此对于心肺功能较弱的人,选择佩戴N95口罩时不可不慎。

我们看到有一款N95口罩带有气窗,这是对呼出空气不加过滤直接排放的“后门”。如果单从预防雾霾和粉尘考虑,不失为呼吸减负的巧妙设计,但在疫情防控中,这种让病毒“只出不进”的口罩对他人毫无保护作用,难免过于“自私”和备受嫌弃了。


口罩生产流水线(XinhuaVideo)

现在我们要说说另一款“主力口罩”,那便是成本低、舒适性强、普及程度高的外科口罩。它由三层无纺布组成。外层具有疏水性,能有效防止水和体液的浸润渗透,中间层为熔喷过滤层,是截获空气中颗粒物的主要屏障。内层柔软吸水,佩戴舒适。外科口罩必须不可燃。我们经常用水和火,来检验口罩的材料真伪和质量高下。

外科口罩虽然没有达到N95口罩的防护标准,但对飞沫和微小颗粒物仍然有很好的阻隔作用。诚然,外科口罩和脸部的吻合相对比较宽松,空气会顺着阻力最小的缝隙进入呼吸道,但那些飞沫是很难转弯的,它们会在各个拐点“搁浅”和“抛锚”,留在口罩纤维中和脸部皮肤上。因此对于公共场所的日常防御,外科口罩应该足够了。再说,除了呼吸顺畅,廉价轻便的好处外,我们还应该把N95口罩留给真正需要它的人。


医用外科口罩的佩戴

正确的佩戴,是外科口罩发挥效能的关键。洗净双手,捏住左右系带挂在耳上,让口罩深色一面朝外,带有铝条鼻夹的一边朝上,切勿内外反置和上下颠倒。用两手食指将鼻夹按压到位,拉伸底部盖住下巴,半张脸就在口罩的防护之中了。有效阻止我们的手无意间触摸脸部造成污染,也是口罩的重要功能。

随着我们的呼吸,大量尘埃、飞沫和微生物会附着与嵌合在纤维中,口罩就成了藏污纳垢之所,因此必须及时更换。手术口罩一般使用时间为4小时,然后弃旧易新。换下的口罩切忌随手乱丢,应喷洒酒精消毒后再投进垃圾袋。


电视台讲授家庭制作口罩方法(图片来自网络)

几乎任何一种防疫指南都不提倡口罩的重复使用,但在资源紧缺的情况下,普通人的居家生活中“出门打个转”,就要扔一个口罩,也未免弃之可惜和难以为继。因此,在日常环境下使用时间较短而未曾污损的口罩,应该允许重复使用,最好经过日晒、烘箱、臭氧或紫外线消毒。

2020年春天注定是一段难忘的岁月,也许我们的安危之间,只隔着一张口罩。许多欧美国家的文化传统,据说与戴口罩格格不入,咳嗽和打喷嚏时低头抬肘,进行遮挡,才是公认的“标准礼仪”。值此新冠病毒大流行的紧急关头,尽管带着巨大的“文化不情愿”,也都先后选择了“个人自由让步于公共利益”,移风易俗,鉴机识变,制定法规,接纳口罩,并鼓励国民在家中用棉布缝制。《柳叶刀》一项最新研究表明,佩戴口罩,能将感染的可能性从17.4%下降到3.1%。“当我们俩都戴上口罩时,我保护了您,您也保护了我。我们彼此都安全”,捷克女明星科诺娃的号召,展示了大疫中佩戴口罩的责任、义务和美德。各国时尚名牌也闻风而动,从口罩上寻找巨大的商业机遇和艺术空间。


《柳叶刀》关于口罩效能的研究(图片来自网络)

作为地球上最高生命形式的人类,和最低生命形式的病毒进行了一场最惨烈的战争,我们需要反思的事情太多,包括对戴口罩的众议和公论。雪片般的口罩,是当今我们这个世界最熟悉而陌生的景观。我们终将摘掉口罩,重新露出灿烂的笑容。但在未来的岁月里,口罩无疑会成为每个家庭的日常必备品,深深植入人类的文化,并对全球卫生健康的大格局产生深刻而持久的影响。

 

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《漫谈戴口罩》

导演、撰稿:赵致真
执行导演:张戟
科学统筹:石易王俊
编导:邹蒨王俊石易蒋应佩刘颖
剪辑:方毅于新雨刘洪波
摄像:胡勇刚刘翔
资料:高淑敏吴玛丽胡岚涛
动画制作:北京琉璃星空影视策划有限公司
音乐制作:焦峰
解说:时小明
剧务:李翔余鹰
动作示范:刘小丽潘婷李叶紫王硕袁安琪左思祺
显微操作:柳静吴丽群
制片人:张戟易力
前期策划:战钊何静宜
监制:傅箎赵鸿
总监制:李小虎何龙何伟
媒体支持:光明网
鸣谢:武汉市疾病预防控制中心
制作:武汉广播电视台《科技之光》
出品
湖北省科学技术协会普及部
湖北省科普作家协会

 

(本文来源于光明网)

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