哈佛大学和麻省理工学院的研究人员成立了一家公司,大规模生产一种更有效的三层口罩。
戴眼镜的人都知道,随处可见的蓝色褶皱口罩会将蒸汽向上泄漏,尽管金属丝的设计符合鼻子的形状。不太明显的是,从口罩两侧和底部漏出的液体,打喷嚏或咳嗽会增加很多倍。虽然三层一次性口罩为佩戴者和周围的人提供了一些保护,但对所有人来说都要安全得多。
这是来自布莱根妇女医院、哈佛大学、麻省理工学院和麻省总医院的一组研究人员得出的结论。他们开始开发一种更实用的日常口罩,可以大规模生产,并以类似的价格出售。(他们最近发布了一份非同行评审的预印本他们对medRxiv的研究。)
两位老朋友,生物工程师杰弗里·卡普和内科科学家安东尼·萨米尔,接受了这项挑战。卡普在布里格姆大学领导着一个同名的医学工程实验室,而萨米尔则在麻省总医院管理着一个从长凳到床边的生物工程实验室和研究中心。这两家波士顿机构于2020年3月成立了马萨诸塞布里格姆COVID创新中心。他们让卡普和萨米尔领导一个N95口罩工作组,解决困扰医疗工作者的N95口罩短缺问题。
尽管当时科学家们还没有证明这一点,但两人很快意识到,SARS-CoV2冠状病毒的传播极有可能是基于气溶胶的,每个人都需要戴口罩来控制病毒的传播。
他们面临的挑战是在社区规模上提供有效的保护,不仅可以防止微小的病毒颗粒,还可以防止人们咳嗽或打喷嚏时传播的较大颗粒。因此,他们召集了一组美国和英国的过滤专家,讨论可以提供n95级过滤的材料。
他们得出的结论是,日常使用的三层外科口罩中使用的聚丙烯类型在过滤气溶胶方面非常有效,而且材料丰富且便宜。但普通的外科口罩有一个重大缺陷——它们不合适,在吸入时,口罩下大约有40%的未经过滤的外界空气。同样,大约40%的未经过滤的呼出气体可以通过口罩边缘的缝隙逸出。因此,研究小组决定专注于重新设计这些口罩,使用相同的材料来大幅减少泄漏。
这意味着将鼻线延伸到口罩周围,并使耳环可调节。萨米尔最近说,这些变化使他们的新Ultra Fit口罩适合任何人的脸医疗设计及外包.
萨米尔补充说:“通过这样做,我们能够极大地提高口罩的性能,因此新手用户的泄漏率平均下降了四分之一以上。”“所以,大多数人的泄漏量从40%下降到不到10%,而在有经验的用户中,我们将下降到很多人的泄漏量不到5%。对于一个漏气40%的口罩来说,这是一个非常非常大的进步。”
研究人员还包括牛津大学前生物设计研究员Daryl Chulho Hyun,博士后研究员Martin Jensen等人,他们做出了一个更重要的改变。他们在口罩内侧边缘增加了一个襟翼,以便在雾化液滴泄漏到口罩外之前捕获它们。当佩戴者咳嗽或打喷嚏时,由纺粘复合材料/熔喷聚丙烯制成的法兰将皮瓣推到脸上。他们进行了大量的测试,使用热成像和激光散射液滴成像来测量皮瓣的性能。测试表明,口罩周围未经过滤的呼出空气泄漏量大幅减少。Hyun设计了大量的掩模迭代原型,并反复测试,以达到高性能、低成本的掩模。卡普和萨米尔随后聘请了波士顿Harry Miller Co.的首席执行官汉克·米勒(Hank Miller)来开发原型和制造计划。Harry Miller是一家拥有百年历史的纺织品制造商。他们还请来了麻省理工学院(MIT)机械工程师博士、连续创业者史蒂文·戈登(Steven Gordon),帮助他们研究如何大规模生产这种新型口罩,并经营一家公司来生产和分销。
1987年,戈登在马萨诸塞州剑桥市创办了一家名为智能自动化系统的公司。2002年,布鲁克斯自动化公司(Brooks Automation)收购Intelligent Automation公司后,戈登与人共同创立了Intelligent Bio-Systems公司,开发dna测序仪器、试剂和软件系统。Qiagen (NYSE: QGEN)于2012年收购了Intelligent bio systems。
戈登现在是Katharos实验室的首席执行官,他说:“我能够为口罩的设计做出贡献,当我第一次参与时,它还很简陋,现在可以大批量生产了。”“当他们开发面具时,他们有这种长电线,弯曲成各种疯狂的形状....它有点管用,但要制造出来简直就是一场噩梦。”
戈登建议用单独的电线穿过面具的每一边,从一个角到另一个角,然后用耳环把它扣紧。他解释说,然后,佩戴者可以将金属丝按在脸上,通过调整可变长度的耳环来制作一个定制的、贴合的口罩。
卡普补充说:“我们的感觉是,它可以用于学校、音乐会或婚礼等活动、机场、飞机、公共交通工具和工作场所。”“我认为这种口罩的好处之一是,因为每个人都适合自己的脸,它真的是个性化的,一旦你戴上它,它不仅有更强的保护作用,你可以真正感受到它。”
戈登、玄、卡普、米勒和萨米尔于2020年10月成立了一家公司Katharos Labs(“Katharos”在希腊语中是“纯度”的意思),生产和销售Ultra Fit口罩。
卡塔罗斯的领导人选择在中国开始生产,因为中国有强大的外科口罩生产基础设施。然而,他们的计划是利用戈登的专业知识来改进和现代化美国现有的口罩制造设备,以低成本实现国内批量生产的自动化。
研究人员还准备了一篇关于他们如何开发和测试Ultra Fit口罩的论文,包括他们为验证这种口罩的适用性所做的努力和学生在教室里戴着口罩进行的现场实验的细节,以及感染在地铁上传播的数学建模。他们报告说,在这两种情况下,Ultra Fit口罩在防止COVID-19在社区传播方面的效果都接近N95口罩。(截至发稿时,他们还没有将论文提交给任何期刊发表。)
研究人员还进行了用手和洗衣机清洗口罩的实验,以确定它是否能保留其过滤性能。据卡普说,它有可能承受多次洗手,但确定多少次洗手的实验仍将继续。他补充说,他们还在继续测试口罩,以确定是否符合新的NIOSH和ASTM标准。
卡塔罗斯实验室的领导相信他们会为他们的口罩找到市场,即使口罩禁令被取消,许多美国人表现得好像大流行已经结束了。根据疾病控制与预防中心的数据,截至6月底,超过一半的美国人至少接种了一剂疫苗。然而,许多其他国家远远落后。卡普认为,新冠病毒和流感等其他病毒的变异和季节性爆发的威胁迫在眉睫。
“我们必须教育公众,拥有一个高质量、合身、高性能的口罩至关重要。很多人戴上口罩,因为他们被要求这样做,”他说。“但一个经常漏水的口罩并不是一个工作良好的口罩。”