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對抗新冠華人英雄/蔡秉燚 發明N95口罩過濾材料

蔡秉燚因發明N95口罩進入學校的名人堂。(取自田納西大學網站)
蔡秉燚因發明N95口罩進入學校的名人堂。(取自田納西大學網站)

約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)冠狀病毒資源中心6月中旬發布的數據顯示,自新冠疫情美國爆發開始算起,美國新冠感染人數已逾3350萬,累計死亡超過60萬人。新冠病毒給美國人帶來了嚴重的創傷。

新冠病毒爆發,讓人們認識到N95口罩的重要性。(Getty Images)
新冠病毒爆發,讓人們認識到N95口罩的重要性。(Getty Images)

在過去的一年多裡,一些華人科學家和華裔青年衝上抗疫第一線。他們有的發明出N95口罩內過濾材料;有的開發出為新冠疫苗鋪路的S-2P技術;有的設計出預測疫情最準的模型;有的受訪450次以上向公眾普及公共衛生知識;還有的設計出追蹤冠狀病毒數字和趨勢的儀表板等。他們是對抗新冠病毒的英雄,值得我們驕傲和尊敬。

N95口罩最初是工人使用,後來擴展到醫務人員。(Pexels)
N95口罩最初是工人使用,後來擴展到醫務人員。(Pexels)

加入靜電 N95口罩增效

2020年6月正是美國新冠疫情爆發的高峰期。當月22日,《今日美國報》刊登題為「一位田納西科學家如何在冠狀病毒流行中成為世界英雄」的報導。報導稱,在冠狀病毒流行之前,儘管身為材料科學家和發明家,蔡秉燚(Peter Tsai)博士並不是家喻戶曉。他是多數一次性N95口罩過濾材料的創造者,新冠疫情將蔡博士的一項發明放在了聚光燈下。

新冠疫情爆發後,各種口罩紛紛上市。(Pexels)
新冠疫情爆發後,各種口罩紛紛上市。(Pexels)

蔡秉燚博士接受本報記者採訪時說,從新冠疫情爆發到現在,他一共接受了50多家媒體的採訪。新冠疫情2019年12月在中國武漢爆發後,中文媒體先採訪他。2020年3月,新冠疫情在美國爆發後,英文媒體開始對他進行採訪。「剛開始,我還做紀錄,後來就不記了,因為太多。」世界上的N95口罩究竟有多少?他說,在疫情爆發前,生產出的N95口罩約有幾百億個。疫情爆發後,一年半以來產量「最少增加了一、二十倍」。

疫情爆發之初,人們對口罩的需求猛增。(Getty Images)
疫情爆發之初,人們對口罩的需求猛增。(Getty Images)

蔡秉燚說,1980年代,他開始從事熔噴布加靜電的研究。「產品包括空氣過濾材料涵蓋口罩材料和一次性的醫療防護服。」1992年,他發現把靜電注入過濾材料中,過濾效果提高了十倍。1992年,這個材料做N95口罩,過濾效率達到95%以上。他說,N95口罩前面加上N,就是這種口罩不能抗油(Non-oil resistance)。

N95口罩可以防止被病人感染新冠病毒。(美聯社)
N95口罩可以防止被病人感染新冠病毒。(美聯社)

他說,他的發明是通過將口罩的過濾材料暴露在電暈中,使其帶有永久的靜電荷,即永久帶電體。這個過程名為「電暈加電」。口罩的過濾材料帶有正電荷和負電荷,它可以通過偶極電誘導極化而吸引中性粒子,例如病毒和細菌,將它們捕獲。1992年,他申請了這項技術的專利,1995年獲得批准。

N95是經過美國職業安全與健康研究所(NIOSH)用0.07微米的微小顆粒做測試後認證的。他最初研究N95口罩時,是為了過濾這樣的微塵。這種微塵對工人的肺部傷害很大,建築工人在施工過程中吸入污垢和灰塵;「工人需要一個口罩,把這些微塵過濾掉。」

他說,N95呼吸器在醫療領域也被證明是有效的,其帶電材料對漂浮的微小飛沫的過濾效果「相當有效」。大約在1996年,美國疾病防治中心(CDC)推薦使用N95來應對空氣傳播疾病。2003年嚴重急性呼吸系統綜合症(SARS)爆發期間,CDC再次推薦使用N95口罩。2007年,N95口罩用於禽流感,2009年用於豬流感,2013年用於中東呼吸綜合症(MERS);不過,這些爆發都沒有達到新冠病毒的流行程度。

由於成績卓著,他獲得了2006年B.Otto和Kathleen Wheeley技術轉讓卓越獎。2019年,他工作的田納西大學研究基金會(UTRF)授予他創新名人堂獎。「這是UTRF最高榮譽。」新冠疫情期間,因為他的無償給一般大眾和醫護人員提供口罩的訊息,同時協助國家科學實驗室和工業界增產口罩材料和N95口罩,他先後獲頒20個獎項,同時榮獲田大材料科學與工程系名人堂(Hall of Fame)。「我的畫像掛在系大樓進口走廊上,與其他系三位名人並列。」

耶魯大學全球健康政策與經濟學副教授陳希認為,為了預防被新冠病毒感染,防疫專家推薦醫護人員使用N95口罩。因此,專業人士對N95呼吸器的需求非常迫切。蔡秉燚博士設計N95呼吸器對此貢獻巨大。

疫情期間,許多人佩戴帶有呼吸閥的N95口罩。(美聯社)
疫情期間,許多人佩戴帶有呼吸閥的N95口罩。(美聯社)

持續改進 降低呼吸阻力

蔡秉燚說,給醫護人員使用N95口罩就要考慮長時間穿戴的舒適性。例如,工人戴上N95口罩一個小時,可以拿下來休息一會兒,然後再戴。但是,醫院工作人員需要連續工作8到12個小時,呼吸時就會感到因為口罩阻力太高而覺得難受。

另外,工人使用的N95口罩中間可以有個呼氣閥。呼氣的時候,閥門打開;吸氣的時候,閥門關上。這樣,工人很容易就把氣體呼出去。但是,如果醫護人員使用帶呼吸閥的N95呼吸器,只能保護自己,不能保護別人。因此,防疫用的口罩需要雙面保護,既不能把病毒呼出去,也不能把病毒吸進來。

他說,他1992年後繼續研究N95口罩,主要是要提高呼吸的順暢性。「我一直在研發,技術不斷地在精進。」2018年,他的技術有了又一次的突破,新的技術把呼吸阻力大大降低。按照1992年的標準,阻力大約在20毫米水柱,後來的口罩能把阻力降低到十的水準,而新的技術可以把阻力降低到五或六。

來自台灣的蔡秉燚表示,他與台灣的醫師談到口罩。「有的醫師告訴我,戴N95口罩後覺得呼吸不順暢。」他現在協助台灣的廠家用新技術開發的材料做N95口罩,讓台灣的醫護和朋友試用。他們感覺這個新款的口很好,戴了八小時沒事。「他們正在走程序,把這個新款的口罩推到市場上。」

也有人寫文章認為,N95口罩不能預防病毒傳播。其觀點是,N95口罩的細孔比病毒大,無法過濾病毒。他說,這些作者只知其一,不知其二。N95口罩不是通過過濾孔比病毒小來過濾病毒,而是藉著纖維表面吸附病毒。「因為加上靜電,其吸附能力增加了十倍;新款的口罩還能增加了20倍。」

他說,用細纖維過濾微塵的創意來自第二次世界大戰。德軍不因細菌而感染,因為他們都戴著口罩。用電子顯微鏡分析發現,這個口罩是用超細玻璃纖維製成的,可以過濾細菌。1950年代,美國海軍太空實驗室研發了高分子材料聚丙烯超細纖維製造的熔噴技術。蔡秉燚於1975年畢業於台北科技大學,先後來堪薩斯大學和田納西大學攻讀材料科學博士,獲得博士學位後,他在田納西大學從事熔噴和靜電研究。1980年代,田納西大學與Exxon公司合作,研究開發改進熔噴技術,他參與領導這個團隊。

工作重點 N95多次使用

蔡秉燚說,2020年3月,美國爆發新冠疫情後,對口罩的需求不斷擴大。由於口罩短缺,美國口罩價格大幅上漲。他說,他在2019年已經退休,但重新回到工作崗位。他主要設法解決兩個問題:尋找方法讓N95可以重複使用;擴大N95生產規模。

他每天工作長達20小時,以測試口罩消毒的新方法。例如,將口罩放在陽光下,放入烤箱,用肥皂清洗,用蒸氣滅菌。他發現,最好的方法是將口罩在160℉乾熱下保持30分鐘,這可以通過將它們掛在烤箱中來實現。

但是,這不是他的首選方法。人們可以購買七隻N95口罩,並輪換使用,每天使用一個新的。「用完一個口罩後,掛在偏僻的地方,七天內不再使用它。」根據《新英格蘭醫學期刊》報導,新冠病毒在塑膠表面的存活時間是三天,因此,美國食品與藥物管理局(FDA)容許合格的N95口罩放置五天後重複使用。

他說,擴大N95生產規模就是協助美國廠家多生產N95口罩。他說,美國廠家生產N95是從增加到減少、疫情期間又從減少到增加。N95口罩先在美國生產,後來,這項技術傳到了歐洲,然後是北美和南美洲。後來,技術進入澳洲和亞洲,亞洲首先是台灣和南韓,接著是中國大陸。目前,他在世界上有100多個客戶。「現在,就剩非洲沒有客戶了。」

2000年後,中國大陸加入了WTO,N95就去了大陸。大陸雖然起步晚,但是拓展速度非常快。這對美國的N95製造產生了影響。1992年,美國有近10個廠家生產N95口罩。但是,由於中國口罩便宜,美國公司從中國進口,導致美國的N95工廠萎縮。新冠疫情爆發後,「中國對N95出口進行限制」,美國才重新開始生產N95。現在,美國的廠家增加到幾十家。

過去,很多台灣的N95廠家搬去大陸發展,後來也生產布料,生意越做越大,價格也便宜。沒有去大陸的廠家就留在台灣,買台灣的熔噴加靜電布來生產口罩。因此,台灣現在自給有餘。

許多醫生佩戴N95口罩,實行雙面保護。(美聯社)
許多醫生佩戴N95口罩,實行雙面保護。(美聯社)

正品保護戴用者 堵疫情漏洞

蔡秉燚說,在疫情發生前,中國生產N95的廠家只有十來家。由於世界各地都需要防疫口罩,中國一下子冒出數以萬計口罩製造商,包括平面口罩的生產商。它們出口美國後,充斥市場;但是,許多廠家生產的N95不合格。

他說,美聯社記者採訪他時,問起這個問題。他的建議是,海關要配合CDC查驗。他說,沒有想到,「報導發出一周後,麻州海關和CDC對來自中國的口罩進行檢查」。麻州海關檢查了40批,其中只有兩批合格。一周後,該州海關又檢查了80批,也只有兩批合格。這些口罩都是新工廠做的,「靜電跑掉了」。

後來,有位美國華人把這個消息譯成中文,放到網上。接著,中國政府介入管控,外銷口罩都要重新登記。原來合格的公司也要重新申請「白名單」。他說,早在2006年,中國國標制訂的KN95口罩標準,比美國的標準還要嚴格。美國疫情初期,因為口罩需求增加,美國FDA緊急授權(EUA)允許合格的KN95在美國使用。

陳希說,今年2月,紐約時報還專篇介紹中國公共衛生之父伍連德對人類的貢獻。「在歷次大流行疾病中,對全人類影響最深遠的莫過於中國的伍連德醫生。」100多年前,伍連德發明了口罩,幫助中國控制住一場瘟疫,也告訴人類,口罩仍然是最有效的。

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