วิธีการสร้างมาสก์หน้าโฮมเมดที่ดีขึ้นตามหลักวิทยาศาสตร์

เมื่อโควิด-19 ระบาด นักวิจัยของ Smithsonian ได้จัดตั้งห้องปฏิบัติการชั่วคราวที่บ้านเพื่อดำเนินการศึกษาวิจัยที่ก้าวล้ำของวัสดุผ้ามาส์ก

ก่อนที่การระบาดใหญ่ของ Covid-19 จะทำให้การวิจัยหยุดชะงักEdward VicenziและJamie Weaverมักจะศึกษาสิ่งเก่า ๆ ที่เก่าแก่มาก

Vicenzi นักวิทยาศาสตร์ด้านการวิจัยที่Smithsonian’s Museum Conservation Institute (MCI) ใช้กล้องจุลทรรศน์ที่ซับซ้อนเพื่อตรวจสอบสิ่งของหายากตั้งแต่ Mesoamerican obsidianไปจนถึงสิ่งทอโลหะในยุคกลาง และนอกเหนือจากงานเต็มเวลาของเธอในฐานะนักเคมีที่ใช้เทคโนโลยีการวิเคราะห์นิวเคลียร์ ที่ล้ำสมัย ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) วีเวอร์ยังศึกษาความทนทานทางเคมีของแก้วสวีเดนก่อนยุคไวกิ้งผ่านการนัดหมายวิจัย กับ มช.

แต่เมื่อหนึ่งปีก่อน ที่ต้องติดอยู่ที่บ้านโดยไม่มีห้องทดลอง Vicenzi และ Weaver สงสัยว่าพวกเขาจะช่วยได้อย่างไร ในช่วงเวลาเดียวกัน องค์กรระหว่างประเทศจำนวนหนึ่งเรียกร้องให้นักวิจัยศึกษาหน้ากากผ้า ซึ่งเจ้าหน้าที่สาธารณสุขอ้างว่าเป็นวิธีที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพในการชะลอการแพร่กระจายของไวรัสร้ายแรง

James RadneyและChris Zangmeisterเพื่อนร่วมงานสองคนของพวกเขาที่ NIST ซึ่งศึกษาเรื่องละอองลอยในชั้นบรรยากาศของโลกได้รับกระแสตอบรับจากโครงการวิจัยของทั้งคู่ที่กำลังขยายตัวและเอื้อมมือออกไป ภายในเดือนพฤษภาคม 2020 นักวิทยาศาสตร์ทั้งสี่คนร่วมมือกันตรวจสอบประสิทธิภาพของหน้ากากผ้า

Zangmeister กล่าวว่าพวกเขาเป็นพันธมิตรที่ไม่น่าจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในช่วงเวลาวิกฤตเท่านั้น “เรารู้สึกถึงความปรารถนาอย่างแรงกล้าที่จะช่วยเหลือในทางใดทางหนึ่ง มันเกือบจะเหมือนเป็นหน้าที่” วิเซนซีเล่า

หลังจากเปิดเผยเมื่อเดือนมิถุนายน 2020 ว่าผ้าสักหลาดจากผ้าฝ้ายผลิตหน้ากากโฮมเมดได้ดีที่สุด ทีมงานรายงานว่าความชื้นในลมหายใจของเราอาจทำให้ผ้าฝ้ายมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป ตามรายงานฉบับใหม่ของพวกเขาที่ตีพิมพ์เมื่อสัปดาห์ที่แล้วในวารสารACS Applied Nano Materials

ทำงานที่บ้าน

การหาว่าจะเริ่มต้นที่ไหนเป็นเรื่องยาก เนื่องจากมีการเผยแพร่เอกสารเกี่ยวกับมาสก์หน้าแบบผ้าเพียงไม่กี่ฉบับนับตั้งแต่เกิดการ ระบาด ของไข้หวัดใหญ่ในปี 2461 “ดังนั้น เรากำลังอ้างอิงเอกสารอายุ 100 ปีเหล่านี้” Zangmeister กล่าว “มันบ้าจริงๆ”

แต่พวกเขาต้องเริ่มต้นที่ไหนสักแห่ง ดังนั้น Vicenzi และ Weaver จึงซื้อกล้องจุลทรรศน์จาก Walmart ในราคาอันละ 30 ดอลลาร์ เพื่อประเมินว่าหน้ากากแบบโฮมเมดสามารถป้องกันไวรัสได้ดีเพียงใด ที่บ้าน นักวิทยาศาสตร์เริ่มรวบรวมภาพระยะใกล้และวัดคุณลักษณะต่างๆ ของตัวอย่างผ้า เช่น ความพรุน จำนวนเส้นด้าย ความหนาของเส้นด้าย และองค์ประกอบ เพื่อช่วยให้ทีมเข้าใจว่าพวกมันทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันอนุภาคขนาดเล็กอย่างไร

ทีมวิจัยได้ทดสอบหน้ากาก N-95 เกรดทางการแพทย์ แต่พวกเขายังศึกษาวัสดุที่ผู้คนอาจนอนอยู่ที่บ้านด้วย เมื่อมันเกิดขึ้น Weaver มาจากฟากฟ้าของนักควิลท์ 4-H ห้าชั่วอายุคน และแต่เดิมได้ศึกษาการอนุรักษ์สิ่งทอ ดังนั้นเธอจึงมีธนาคารแห่งความเชี่ยวชาญที่พิสูจน์แล้วว่าจำเป็น เธอใช้จักรเย็บผ้ามรดกสืบทอดของคุณยายและช่วยทีมเก็บตัวอย่างผ้าจากคอลเลคชันสิ่งทอของครอบครัวเธอ รวมถึงร้านขายงานศิลปะและงานฝีมือ

ในช่วงหลายเดือนแห่งการล็อกดาวน์ Weaver และ Vicenzi ยังได้ออกแบบห้องปฏิบัติการที่บ้านชั่วคราวของพวกเขาอีกด้วย เริ่มต้นด้วยกล้องจุลทรรศน์ที่ซื้อจากร้านค้าราคาถูก พวกเขาค่อยๆ อัปเกรดด้วยสิ่งที่พวกเขาสามารถทำคะแนนได้บนอินเทอร์เน็ต (ตอนนี้ทั้งคู่มีคอลเลกชั่นกล้องจุลทรรศน์ประมาณ 6 ตัวต่อชิ้น “เราเป็นคนโง่แบบนี้” Weaver หัวเราะ)

Vicenzi ติดตั้งเครื่องทำความชื้นแบบเทคโนโลยีต่ำโดยใช้เครื่องทำความเย็นเบียร์ Styrofoam ซึ่งยึดผ้าไว้กับที่ด้วยเทปพันท่อ นอกจากนี้ เขายังลงทุนในกล้องจุลทรรศน์กำลังขยายที่สูงขึ้น ซึ่งสามารถมองเห็นลักษณะเด่นที่วัดได้เพียงสองในล้านส่วนของเมตร ซึ่งคล้ายกับเศษเสี้ยวเล็กๆ ของเส้นผมมนุษย์

“มันไม่ได้ใกล้เคียงกับสิ่งที่ฉันจะได้รับที่สถาบันสมิธโซเนียน แต่ก็ไม่เลวสำหรับกล้องจุลทรรศน์ที่บ้าน” เขากล่าว นั่นคือเว้นแต่มีคนกำลังเปิดเครื่องอบผ้าในห้องถัดไป “ถ้าอย่างนั้นก็สั่นเกินไป” เพื่อให้ได้ภาพที่ชัดเจน Vicenzi กล่าวเสริมพร้อมกับหัวเราะ

ในขณะเดียวกัน Radney และ Zangmeister ได้รับอนุญาตพิเศษให้ทำงานในห้องทดลองของพวกเขา ผู้คนประมาณ 4,000 คนทำงานใน วิทยาเขตแมริแลนด์อันกว้างใหญ่ของ NIST ในช่วงเวลาที่ไม่เกิดโรคระบาด แต่เมื่อฤดูใบไม้ผลิที่แล้ว Radney, Zangmeister นักวิจัยวัคซีนจำนวนหนึ่งและเจ้าหน้าที่รักษาความปลอดภัยเป็นเพียงคนเดียวที่ทำงานในวิทยาเขตที่เงียบสงบอย่างน่าขนลุก ฤดูใบไม้ผลินั้น ทั้งคู่จะเดินทางไปมาทั่วทั้งวอชิงตัน ดี.ซี. ระหว่างบ้านของช่างทอและวิเซนซี เพื่อฝากถุงผ้าตัวอย่าง ทั้งหมดนี้อยู่ห่างไกลจากสังคม ต้องขอบคุณระบบที่ออกแบบโดยผู้ประกอบ

ที่ NIST Zangmeister กล่าวว่าโดยทั่วไปแล้วพวกเขาใช้ “ขวดพ่นแฟนซี” เพื่อยิงอนุภาคขนาดเล็กหรือละอองลอยขนาดต่างๆ ตั้งแต่ขนาด 50 ถึง 825 นาโนเมตร ผ่านผ้าในท่อปิด จากนั้นพวกเขาจะวัดอัตราส่วนของอนุภาคที่ด้านใดด้านหนึ่งเพื่อกำหนดประสิทธิภาพของผ้าแต่ละชิ้นในฐานะตัวกรอง นักวิจัยใช้โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) แทนโมเดลไวรัส SARS-CoV-2 ซึ่งเป็นสาเหตุของโควิด-19

สิ่งที่พวกเขาได้เรียนรู้ (จนถึงตอนนี้)

เมื่อบทความทางวิทยาศาสตร์เสร็จสิ้น โดยปกติแล้วอาจใช้เวลาหนึ่งปีหรือมากกว่านั้นในการเผยแพร่ในขณะที่อยู่ระหว่างกระบวนการตรวจสอบโดยเพื่อน แต่หลายกลุ่มที่ศึกษาเกี่ยวกับโควิด-19 รวมถึง Vincenzi, Weaver, Zangmeister และ Radney ได้รับอนุญาตเป็นพิเศษจากบรรณาธิการวารสารให้ติดตามผลการตีพิมพ์อย่างรวดเร็ว

เมื่อทีมเผยแพร่บทความแรกในACS Nanoในเดือนมิถุนายน 2020 ทำให้เกิดคลื่นครั้งใหญ่ จนถึงปัจจุบัน มีผู้เข้าชมมากกว่า 57,000 ครั้ง ทำให้เป็นหนึ่งในเอกสารที่มีการค้ามนุษย์มากที่สุดของปีที่แล้ว สำหรับกลุ่มนักวิจัยที่มักเผยแพร่สำหรับผู้ชมทางวิชาการเฉพาะกลุ่ม การประชาสัมพันธ์เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ (ภาพบางภาพในกระดาษแผ่นแรกนั้นถ่ายด้วยขอบเขตที่ซื้อจากร้านค้าราคาถูก Weaver กล่าวเสริม)

สิ่งสำคัญที่สุดคือการค้นพบของนักวิจัยทั้งสี่คนสนับสนุนสิ่งที่ศูนย์ป้องกันและควบคุมโรคและผู้เชี่ยวชาญด้านสาธารณสุขอื่น ๆ ได้กล่าวไว้: ผู้คนควรสวมหน้ากากอนามัยเพื่อป้องกันตนเองและผู้อื่น ทีมงานพบว่าหน้ากาก N-95 มีประสิทธิภาพเหนือกว่าหน้ากากชนิดอื่นๆ ในการป้องกันการแพร่กระจายของละอองลอย

สำหรับผู้ที่ไม่สามารถเข้าถึงวัสดุเกรดทางการแพทย์ได้ นักวิจัยได้ทดสอบผ้า 32 ชิ้น และพบว่าหน้ากากผ้าสักหลาดผ้าฝ้าย 100 เปอร์เซ็นต์กรองอนุภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด การเพิ่มชั้นพิเศษหรือสองชั้น—โดยเฉพาะอย่างยิ่งแผ่นกรอง HEPA, แผ่นกรองกาแฟ หรือวัสดุประเภทอื่นๆ ที่ออกแบบมาเพื่อดักจับอนุภาคขนาดเล็ก—ยังช่วยเพิ่มความสามารถของหน้ากากในการเป็นแผ่นกรองได้อีกด้วย

หลังจากค้นคว้าเกี่ยวกับมาสก์หน้าเป็นเวลาหนึ่งปี วีเวอร์บอกว่าเธอเย็บ “หน้ากากของเธอเองด้วยผ้าสักหลาดฝ้าย และฉันทำสามชั้นด้วยชิ้นส่วนจมูกเพื่อรักษาความปลอดภัย นั่นเป็นความชอบส่วนตัวของฉัน”

เอกสารฉบับที่ 2 ของผู้วิจัยซึ่งตีพิมพ์เมื่อสัปดาห์ที่แล้วในACS Applied Nano Materialsได้ตอบคำถามแรกของพวกเขา: ความชื้นที่เกิดจากการหายใจส่งผลต่อประสิทธิภาพของหน้ากากอย่างไร

ตามที่ Zangmeister อธิบาย ลมหายใจที่เราหายใจออกมีความชื้นประมาณ 100 เปอร์เซ็นต์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง มันสร้างสภาพแวดล้อมที่เทียบได้กับการอยู่ในป่าฝนอเมซอนในตอนกลางวัน Vicenzi กล่าว เนื่องจากเส้นใยพลาสติกสังเคราะห์ เช่น เส้นใยที่ประกอบเป็นหน้ากาก N-95 นั้นส่วนใหญ่ไม่ชอบน้ำ จึงไม่ดูดซับน้ำ

แต่ผ้าฝ้ายมีคุณสมบัติที่ชอบน้ำ ดังนั้นโมเลกุลที่ประกอบเป็นวัสดุจึงถูกดึงดูดเข้าสู่น้ำ เมื่อเส้นใยดูดซับน้ำ เส้นใยก็จะหนาขึ้นเล็กน้อย ในทำนองเดียวกัน ละอองลอยจะดูดซับน้ำและขยายตัวเมื่อชนกับเส้นใยที่เปียกชื้น ทำให้ยากขึ้นสำหรับพวกเขาที่จะบีบผ่านช่องว่างที่เหลืออยู่

“ถ้าคุณนึกภาพแมลงที่บินวนไปมาและชนกับดักแมลงวัน มันก็จะกระทบพื้นผิวและเกาะติดที่นั่น” วิเซนติอธิบาย ในทำนองเดียวกัน ในสภาพแวดล้อมที่เหนียวและชื้นของหน้ากากผ้าฝ้ายของบุคคล อนุภาคจะพองโตและเข้าไปติดอยู่ระหว่างเส้นใยฝ้ายที่บวม

การค้นพบนี้ไม่ได้หมายความว่าคุณควรจุ่มหน้ากากผ้าฝ้ายลงในน้ำก่อนออกจากบ้าน Vicenti กล่าวเสริม แต่เมื่อคุณสวมหน้ากากผ้าฝ้ายรอบ ๆ ร้านขายของชำ มันจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป—เป็น “โบนัสชนิดหนึ่ง” เขากล่าวเสริม

มาสก์ใต้กล้องจุลทรรศน์

เพื่อให้เข้าใจสิ่งที่ค้นพบ ยังช่วยให้ศึกษาภาพผ้าในระยะใกล้อันน่าทึ่งของ Vicenziซึ่งส่วนใหญ่เขาเอาตัวเองไปกับการตั้งค่าบ้านชั่วคราวของเขา (เขายังเกณฑ์Scott Whittakerจากพิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติของ Smithsonian เพื่อรวบรวมภาพ 3 มิติของผ้าโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า X-ray computed tomography หรือ CT scan)

“Ed [Vicenzi] เป็นศิลปินจริงๆ” Zangmeister กล่าว “มันยากมากที่จะได้ภาพแบบนั้น”

จากภาพเผยให้เห็นว่ามาสก์ทำงานอย่างไรในรูปแบบของมัน ตัวอย่างเช่น ผ้าใยสังเคราะห์ เช่น โพลีเอสเตอร์ ประกอบด้วยเส้นใยที่เป็นระเบียบซึ่งผ่านการรีดและผ่านกรรมวิธีเพื่อให้เรียบและแบนราบ รูปแบบนี้อาจใช้ได้ผลกับข้อเสียของมันในฐานะตัวกรอง Vicenzi ตั้งข้อสังเกต เพราะการทออย่างเป็นระเบียบจะทำให้มีช่องว่างสำหรับละอองลอยบางส่วน

ในทางกลับกัน เนื่องจากผู้ริเริ่มSara Little Turnbullเปิดตัวการออกแบบครั้งแรกในปี 1958 N-95 ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อดักจับ 95 เปอร์เซ็นต์ของละอองลอยในช่วงขนาดของอนุภาคไวรัส SARS-CoV-2 (แต่ละอนุภาคของไวรัสมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 110 นาโนเมตร อย่างไรก็ตาม Zangmeister ตั้งข้อสังเกตว่าผู้ที่ติดเชื้อจะหายใจเอากลุ่มไวรัสที่ห่อหุ้มด้วยโปรตีนและเกลือที่สามารถวัดได้มากถึงหนึ่งหรือสองไมครอน) กระบวนการทางอุตสาหกรรมที่เรียกว่าละลาย – การอัดรีดแบบเป่าจะทำให้เส้นใยพลาสติกของ N-95 บิดเบี้ยว เพื่อให้เส้นที่มีความหนาต่างกันทั้งหมดมาปะปนกันในส่วนผสมที่ยุ่งเหยิงของรูปทรงและพื้นผิวที่แตกต่างกัน ความยุ่งเหยิงที่พันกันนี้ทำให้ละอองลอยผ่านไปได้ยากขึ้น

ผ้าฝ้ายสักหลาด ซึ่งทีมวิจัยพบว่าเป็นผ้าที่ดีที่สุดที่มีจำหน่ายทั่วไปสำหรับหน้ากากแบบโฮมเมด อยู่ระหว่าง N-95 หรือโพลีเอสเตอร์ในแง่ของเนื้อสัมผัส แม้ว่าเส้นใยจำนวนมากจะทอเป็นลวดลาย แต่เส้นใยเหล่านี้มีลักษณะไม่สม่ำเสมออย่างมาก เนื่องจากวิธีการผลิตผ้าสักหลาดจากผ้าฝ้าย มัดของเส้นใยจะยื่นออกมาบนพื้นผิวที่เรียกว่า “งีบ” ซึ่งเป็นพื้นผิวที่ยกขึ้นและมีลักษณะคลุมเครือซึ่งทำให้ผ้ารู้สึกนุ่ม

นักวิจัยสงสัยว่าการงีบหลับช่วยดักจับอนุภาคได้มากขึ้น เช่นเดียวกับที่ N-95 อาจทำได้

Vicenti กล่าวว่า “ผ้าสักหลาดนั้นเป็นแบบอะนาล็อกในโลกของสิ่งทอ ของความโกลาหลทางวิศวกรรมที่เราเห็นใน N-95

โรคระบาดครั้งต่อไป

ตามที่ Vicenzi ตั้งข้อสังเกต เงินเดิมพันสำหรับการวิจัยนี้มีสูง นักระบาดวิทยาพบว่า แม้แต่การปรับปรุงคุณภาพเล็กน้อยของมาสก์ประจำวันของผู้คนก็สร้างความแตกต่างอย่างมากในอัตราการแพร่กระจายของไวรัส

และแม้ว่าทีมจะวางแผนที่จะลดขนาดงานวิจัยของพวกเขาในปีนี้ แต่หวังว่าสิ่งต่างๆ จะเริ่มเป็นปกติ พวกเขากำลังวางแผนที่จะตอบคำถามเกี่ยวกับหน้ากากในการศึกษาในอนาคต ตัวอย่างเช่น: การซักหน้ากากที่ใช้ซ้ำได้ซ้ำๆ ส่งผลต่อประสิทธิภาพในการกรองอย่างไร? แล้ววัสดุและรูปทรงที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับแผ่นมาส์กคืออะไร? คำถามประเภทนี้จะส่งผลต่อวิธีที่ผู้คนในแต่ละวันตอบสนองต่อการระบาดใหญ่ของ Covid-19 ที่กำลังดำเนินอยู่ รวมถึงโรคระบาดที่จะเกิดขึ้นในอนาคต

ในปีแห่งความเศร้าโศกและความสูญเสียอันนับไม่ถ้วน Zangmeister ไตร่ตรองว่าเขาหวังว่าเรื่องราวของนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานร่วมกันจะนำเสนอจุดสว่างเล็ก ๆ “ผมคิดว่านี่เป็นเรื่องราวที่เกิดขึ้นทั่วทุกวงการในปีที่แล้ว” เขารำพึง

“ผู้คนทุกประเภทต้องล้มเลิกสิ่งที่กำลังทำเพื่อ [ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับโควิด-19]” เขากล่าวเสริม “ในตอนท้ายของการระบาดใหญ่นี้ เราหวังว่าผู้คนจะบอกว่านักวิทยาศาสตร์มารวมตัวกันเพื่อเรียนรู้สิ่งต่างๆ มากมายอย่างรวดเร็วจริงๆ มันเป็นเรื่องราวที่ยอดเยี่ยม”

หน้าแรก