新型可持续性病毒过滤和灭活过滤器

几个世纪以来，呼吸道病毒一直是引发流行病和全球大流行的共同原因¹戴口罩与防止此类传染性病原体的广泛传播有着悠久的历史。例如，在1918年的流感大流行中，强制性遮盖令在全球范围内传播²。20世纪80年代和90年代，随着禽流感的爆发，人们采取了戴口罩的预防措施，以遏制呼吸道感染的传播。当2009年H1N1流感袭击日本时，戴口罩成为一种强制性的生活方式选择，并在很长一段时间内适应了正常的生活。2019年，由于呼吸道病毒SARS-CoV-2，中国报告了第一例COVID感染病例^3.。研究表明，当感染者在说话、咳嗽或打喷嚏时将病毒呼入空气时，感染是由于空气传播而发生的。病毒也会悬浮在普通的无生命表面上。排出的病毒可通过吸入空气中的传染性微飞沫或接触被污染的表面后通过手-鼻传播进入健康个体的呼吸道。为确定口罩规定的有效性，进行了几项基于证据的研究⁴，得到了积极的结果^5，6这表明使用口罩是遏制病毒传播的最佳潜在解决方案之一。公众可选择的口罩有N95、KN95口罩、医用口罩、布口罩等⁷。尽管布口罩可以防止大的唾液滴在空气中传播⁸尽管如此，它的防病毒效果仍值得怀疑⁹。医用口罩是一种宽松的一次性设备，由两层无纺布层组成，中间是熔喷聚丙烯层，主要负责过滤^7，10。N95和KN95呼吸器的设计是为了实现非常紧密的面部贴合，并在鼻子和嘴巴周围形成密封。这些口罩的主要过滤材料是一种静电无纺布聚丙烯纤维⁷。据报道，KN95的过滤效率接近医用级N95口罩，即对0.3µm及更大颗粒的过滤效率高达95%，平均效率为98%。先前的研究¹¹已经表明N95口罩具有过滤阻力(R_f)，分别为吸入343 Pa和呼出245 Pa。与KN95相比，医用口罩的层数和厚度较少，空气阻力小，因此被广泛使用。他们的R_f收集效率分别为29 Pa和32.9%¹²。

KN95口罩和医用口罩的过滤效果都很好，但由于使用寿命短，需要进行处理。这导致产生大量的个人防护装备(PPE)废物^13，14这也是微塑料污染的一个潜在来源¹⁵。另一个问题是需要安全处理一次性口罩¹⁶由于病毒在这些口罩上持续存在数天，如果不妥善处理和丢弃，可能会导致不明原因的病毒感染病例。研究表明，当这些病原体被过滤并被困在口罩纤维中时，它们可以在两层之间存活数天，这使得口罩与无害废物一起处置变得危险⁴。商用和广泛使用的工程口罩的上述局限性，形成了我们当前研究的动机基础，我们的目的是设计和测试一种新型的可持续过滤器，它可以实现高透气性，更长的使用寿命和可重复使用性，以及更好的过滤效率。

本研究提出的新型Hy-Cu滤波器由三个独特的层组成，并在不同的配置下进行了测试。第一个独特的层是一种纺粘聚丙烯材料，涂有纳米工程疏水和疏脂涂层，这是一种水基全疏水溶液¹⁷。由于这种涂层的疏水性，它可以排斥唾液和粘液的雾化微滴，而唾液和粘液是病毒的常见载体¹⁸。涂层的疏脂特性有助于防止病毒附着在外层的纤维上，因为病毒结构的外包膜，像大多数呼吸道病毒一样，本质上是脂质的。这个外脂质包膜将RNA固定在一起¹⁹而且还容易受到机械和环境应力的影响。这种保护性脂质层的破裂暴露了病毒的脆弱RNA^20.并导致失活。另一个重要的层是DLC(类金刚石碳)涂层的铜网。铜以其抗菌/抗病毒特性以及攻击和灭活病原体的能力而闻名^21，22。Borkow等人。²³研究表明，如果呼吸防护口罩浸透氧化铜，则在不改变其物理屏障性能的情况下，赋予其抗流感生物杀灭性能。当病原体接触到铜表面时，失活机制就会起作用。金属表面释放离子，改变病原体的形态结构。此外，随着时间的推移，这些离子可以突破细菌或病毒的膜，导致失活和去污²⁴。Buchegger等人。²⁵发现掺杂氧化锌(ZnO)的DLC涂层是一种很有前途的材料，可以用于病原体的排斥和失活²⁶。DLC的特性是其表面粗糙度低，具有很高的耐磨损性，pH敏感性，疏水性，在某些情况下具有超疏水性²⁷。在特定情况下，当DLC掺杂ZnO颗粒时，锌离子被释放，在pH值在7.4和5.4之间的感染性环境中产生重要的抗菌作用。

在本研究中，采用良好控制的实验技术，从耐压测试、病毒过滤测试和病毒灭活以及流体阻力测试方面分析了所提出的过滤器的性能。实验设置和方法的发现R_过滤器讨论了新型过滤器的病毒日志减少值(LRV)。实验研究”一节。实验和计算观测的结果在“结果与讨论”一节。结论见结论”一节。在补充说明中讨论了耐压的数值设置1流体阻力试验在补充说明中讨论2“补充资料”。

滤波器制造与设计

在本研究中，提出的新型滤波器有三个独特的层，并在多种配置下进行了效率测试。数字1展示了三种独特的层，即全疏包覆聚丙烯(PPE)层、包铜DLC层和无纺布层。用纳米工程的疏水疏脂水基溶液包覆自旋键聚丙烯层。采用静电喷涂沉积技术在受控条件下进行涂覆，保证了疏水疏脂涂层的均匀性。这增加了新型过滤器最外层的表面润湿性。Hy-Cu过滤器、外科口罩和KN95口罩最外层人工唾液液滴接触角的测量如图所示。S1。我们观察到，Hy-Cu过滤器的最外层具有与KN95口罩相当的疏水性，并且优于外科口罩。如前所述，冠状病毒的空气传播取决于唾液或粘液气溶胶/微滴上的呼吸道病毒颗粒。全疏涂层的主要功能是排斥这些微液滴。如果病毒颗粒到达暴露在外的外层表面，涂层的疏脂性将阻止病毒进一步进入系统。在使用安全性方面，全疏涂层的主要成分是硅氧烷及其衍生物，(http://nctmexico.com.mx/)，如相应的专利和数据表所述¹⁷。一般来说，硅氧烷被人类很好地耐受，它们是医疗保健和护理创新方法的一个组成部分。它们通常被认为对人类和环境的毒性很小甚至没有²⁸。数据主要是在环硅氧烷D4和D5和小的线性HMDS(六甲基二硅氧烷)上发现的。通过口服、皮肤和吸入途径，硅氧烷具有相对较低的急性毒性，因此不需要对其进行分类。它们不会刺激皮肤或眼睛，也不会因皮肤接触而致敏。呼吸道致敏的数据尚未确定²⁹。中间层类金刚石(DLC)涂层铜网孔径约为200微米。涂层是由俄亥俄州代顿市的Technometals公司制备的。氢化碳和类金刚石碳可以通过多种技术获得，如化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。^30.。本研究采用PVD技术³¹。铜网表面的DLC涂层厚度为1 ~ 5µm。DLC涂层是众所周知的生物相容性³²植入材料³³、生物应用³⁴、牙钻³⁵、心脏瓣膜³⁶，以及许多其他直接用于人类的应用³⁷。最里面的无纺布层，靠近口部，由轻质聚丙烯织物制成，透气性好，透气，无毒，无刺激性。这种无纺布界面的特点是基于单位面积的质量。这些纺织品的纤维是通过水缠结和随机机械缠绕的细丝结合在一起的。在无纺布纤维中，根据颗粒大小的不同，颗粒的去除是根据不同的机制进行的，即拉伸或筛分、惯性冲击、拦截和布朗扩散⁴。不同等级的无纺布层影响过滤效率。单位面积质量越高，过滤效果越好。

制备了两种不同配置的Hy-Cu过滤器，以测试其抗压效率和病毒过滤效率。对于之前的实验，测试了3层(Hy-Cu 3层)和5层(Hy-Cu 5层)的配置。在3层排列中，有一个全疏层(最外层，暴露于大气中)，其次是DLC涂层铜层(中间)，和一个无纺布层(最内层，靠近口)。在5层配置中，最外层是一层全疏层，最外层是一层无纺布层，其次是DLC镀铜层(中间)，之后是2层无纺布层，最靠近口部。在5层配置中，目的是将中间DLC层夹在两层无纺布层之间，使被困在无纺布层中的病毒暴露在抗菌DLC层中，以最大限度地灭活病毒。在病毒过滤测试中，我们研究了Hy-Cu过滤器的5层配置。

实验研究

三个标准测试用于确定口罩抑制呼吸道病毒传播的有效性。用于研究新型Hy-Cu过滤器效率的标准测试包括耐压测试、病毒过滤测试和病毒灭活测试。还进行了定性测试以了解流体阻力，并在补充说明中进行了讨论2在补充信息中。

耐压试验

数字2展示了实验装置，该装置设计用于测量掩模或过滤器在宽流速范围内提供的压力阻力，例如，0。5米/秒，1。9米/秒，3。5米/秒，7。5米/秒9米/秒11米/秒12。5米/秒，14。5米/秒。这些速度情况是根据人的呼吸作用决定的³⁸呼吸速度约1米/秒，说话速度约5米/秒，咳嗽速度约10米/秒，打喷嚏速度约20米/秒。测试耐压性的过滤器/口罩样品包括KN95口罩、外科口罩、Hy-Cu 3层过滤器和Hy-Cu 5层过滤器。12V直流电压鼓风机，最大流量178米^3./h用于通过过滤器产生气流。采用减速器将风机出口直径从0。1到0。025米。一个球阀用于控制不同风速下的流量，两个法兰用于固定过滤器/掩膜样品。使用压力范围为0 - 1000 Pa的数字压力传感器测量样品之间的压差，并以0的距离插入两个压力探头。样品的上游和下游各5英寸。手持式叶片风速计安装在流的下游测量平均流速。使用美国国家仪器公司的数据采集(DAQ)系统将压力传感器的数据记录到计算机。在考虑实验约束的情况下，在给定雷诺数下，管道长度为2 m，以实现充分发展的流动。从收集的数据中分析耐压与速度的趋势，以确定过滤器和口罩的透气性。

病毒过滤测试

病毒过滤试验以噬菌体MS2 (ATCC 15597- b1)和大肠杆菌C-3000 (ATCC 15597)分别作为受试病毒和病毒宿主细菌。形态学上，MS2是一种非包膜的二十面体正链RNA病毒⁴⁰。MS2的体积小，缺乏外层脂质包膜，使其具有耐化学和耐环境的能力。在目前的研究中，它被用作人类冠状病毒的替代病毒。病毒过滤试验台检测的过滤/口罩样品为外科口罩和Hy-Cu 5层过滤器。他们的想法是将这种新型过滤器与商业上和广泛使用的外科口罩进行对比，并在耐压测试中观察到类似的压降。同时，将每个样品的单个无纺布层，即外科口罩和Hy-Cu过滤器，在相同的实验条件下，在该试验台上单独测试，检查运行后无纺布层上残留的病毒浓度。

试验台设计如图1所示。3.由Collison喷雾器(CH Technologies Inc.)组成，该喷雾器可以雾化悬浮在胰蛋白酶豆汤(TSB)中的MS2噬菌体。雾化器被设定为产生从0。05至20µm在40 psi压力和0。0456 ml/min流速。每个样品采集测试用例雾化器运行15分钟。注入病毒的气溶胶，从喷雾器进入一个4英寸长，36英寸长的管道，有发散入口以防止微液滴回流。样品过滤器/掩膜安装在管道的中心。在过滤器的上游和下游各5英寸处，放置两个SKC滤芯生物采样器，用于收集病毒样本。生物采样器含有10 ml用于病毒气溶胶收集的磷酸盐缓冲溶液(PBS)，生物采样器泵在0。8 L / min。每次运行一个熔接采样器，以防止采样中的干扰，并避免由于生物采样器探头在管道内的尾迹区域而导致的不均匀颗粒在管道横截面上扩散。这是通过ANSYS Fluent仿真得到的，如图所示。S2。在系统的下游放置一个真空泵，并以10倍于生物采样器的流速运行，以驱动系统中的流量。采用转子流量计和球阀对真空泵和生物采样泵的流量进行测量和控制。

对收集的病毒样本进行空斑分析时，将软胰蛋白酶大豆琼脂(TSA)与去水混合，将溶液倒入培养皿中静置至凝固。将收集到的病毒样本和宿主细菌混合，倒入培养皿中，在36℃下孵育过夜。计算板上出现的空斑数量，并使用以下公式计算两种样本病例的病毒对数减少量:

式中LRV为病毒对数缩减值，分子为滤网下游采集的病毒样本孵育后营养琼脂板上的菌斑形成单位数(PFU)，分母为滤网上游采集的病毒样本孵育后营养琼脂板上的菌斑形成单位数。将医用口罩的单层无纺布与Hy-Cu滤网在实验条件一致的病毒过滤床上进行检测，检测雾化病毒飞沫暴露15 min后无纺布层上残留的病毒浓度。这是为了确定非织造纤维的过滤性能对整体过滤效率的影响，以便更好地对两个测试案例进行比较。

病毒灭活试验

病毒过滤试验台如图所示。3.用于测试中间层类金刚石(DLC)涂层铜网的病毒灭活性能。为此，在有DLC层和没有DLC层的情况下，在一致的实验条件下对Hy-Cu 5层滤波器进行了测试。病毒过滤测试”一节。运行15分钟后，从主样品(含和不含DLC的Hy-Cu过滤器)上切下2块尺寸为4cm × 2cm的试样。在t = 0 h制备一份样品进行空斑测定试验，另一份样品在实验室安全环境中保存2 h后进行t = 2 h检测。本研究旨在量化DLC层在过滤系统中导致病毒失活的作用。

新型Hy-Cu过滤器已经过透气性、病毒过滤和灭活效率测试。附图中的情节。S3显示了不同速度下KN95口罩、外科口罩、Hy-Cu 3层过滤器和Hy-Cu 5层过滤器的压降趋势。从图中可以看出，与所有其他样本病例相比，KN95口罩上的压降要高得多，这表明通过KN95口罩呼吸更困难。在流速小于10 ms的情况下，Hy-Cu过滤器的阻力比(Hy-Cu 5层过滤器与外科口罩的耐压比)≤0.9⁻¹这是大多数体育活动的典型特征^41，42。在更高的流速下，两种Hy-Cu过滤器配置都显示出与外科口罩相当的耐压性。值得注意的是，与外科口罩和Hy-Cu过滤器相比，KN95口罩在更高的速度下具有更高的压降。这些结果表明，与商业医用口罩相比，通过新型Hy-Cu过滤器更容易呼吸。为了用数值数据支持实验观察，将Hy-Cu过滤器建模为多孔介质，并使用ANSYS Fluent进行数值模拟，以扩大在大速度范围内的压降。具体的数值计算工作见补充说明1的补充资料。数值模拟结果与实验结果的对比见附图。S4，对于每个样本情况。数值计算结果与实验数据吻合较好，低雷诺数时误差≤30%，随着雷诺数的增加误差有所提高。

对于病毒过滤测试，Hy-Cu 5层和外科口罩的病毒对数减少值分别为- 1.2和- 1.9。这意味着hy - cu5层可以在15分钟内过滤90%的MS2噬菌体病毒，而外科口罩可以过滤95%的纳米级病毒。为了了解过滤效率的差异，对每个样品的无纺布层进行了比较。无纺布层是使颗粒附着在纤维上的拉伸、拦截、惯性冲击和扩散过程的关键因素。我们得到了用于Hy-Cu过滤器的无纺布层具有2。1 .与一次性外科口罩中的无纺布相比，病毒浓度保留了3%。实验运行15分钟后，取6%的病毒浓度。这意味着Hy-Cu过滤器中的无纺布层有效地阻止了病毒颗粒通过过滤器。如本文所述，Hy-Cu过滤器的整体效率较低可归因于以下几点。在实验室条件下，Hy-Cu过滤器的各层被组合在一起进行实验测试，而各层之间没有适当的输液，而对于市场上可用的一次性口罩，商业熔喷工艺用于创建口罩系统。与实验室制备的Hy-Cu过滤系统相比，商业生产的口罩层之间的输注更好。一次性医用口罩的所有三层都有聚丙烯和无纺布材料的结合，与新型过滤器相比，所有层都具有更好的疏水性。这也是与医用口罩相比，其整体防病毒效率较低的一个原因。此外，在一次性外科口罩中存在的Hy-Cu过滤器上没有施加静电荷，这有助于提高病毒的总体保留率，从而增加外科口罩的病毒过滤能力。

在病毒灭活试验中，与不含DLC条件相比，含DLC条件下的Hy-Cu过滤器在病毒浓度降低方面表现出数量级的差异。我们观察到含有DLC的Hy-Cu过滤器具有99%的病毒失活效率，而没有DLC的情况下，在2小时内病毒失活率<< 90%。这表明DLC层对MS2噬菌体病毒具有很好的作用。此外，Hy-Cu过滤器中存在的无纺布层具有较高的病毒保留能力，这是有利的，因为这使病毒靠近DLC铜层，导致病毒颗粒最终失活。新型Hy-Cu滤波器的总体性能总结如表所示1。

结果表明，与一次性口罩相比，新型Hy-Cu过滤器是可持续使用的。与其他医用级口罩相比，Hy-Cu过滤器的抗压效率更好，确保它可以使用更长时间，因为过滤介质上的压降较低，可以防止空气中粉尘和其他不需要的颗粒的早期形成，最终阻塞任何过滤器/口罩⁴⁴。因此，个人防护用品废料的生产和处置以及与之相关的挑战是可以控制的。Hewawaduge等。⁴⁵结果表明，含cu(硫化铜)三层口罩对SARS-CoV-2病毒具有较高的灭活效果。另一项研究⁴⁶表明镀铜KF94口罩有望成为SARS-CoV-2灭活的抗病毒保护面罩。我们的研究首次展示了在细铜网上使用DLC涂层进行病毒灭活，以及在口罩系统中使用DLC涂层。由于DLC铜层具有灭活病毒的特性，因此与市售的一次性口罩不同，Hy-Cu过滤器具有高度可重复使用性和安全性。这减少了频繁处理口罩的需要，从而减少了每天产生的个人防护装备、塑料和其他相关废物的数量。

我们的研究首次提出了一种新的滤波器设计。数字4展示了新型Hy-Cu过滤器各层的物理和生化作用。该设计的新颖之处在于，它使用了一层内部涂有疏水和疏脂涂层的涂层，以抵御具有外脂质包膜的冠状病毒，并在铜网上涂有pH值敏感的类金刚石碳涂层，由于其抗病毒特性，可以导致病毒失活过程。这些层与无纺布层可以以不同的形态排列。在本研究中，我们对3层和5层Hy-Cu过滤器的耐压性能进行了实验和计算测试，并将其与医用级口罩进行了比较。Hy-Cu 3层的透气性非常好，其次是Hy-Cu 5层，其次是外科口罩和KN95口罩，覆盖了几乎所有人类活动的大范围速度。利用实验数据提取黏性和惯性阻力值，有助于表征模拟成多孔介质的过滤纤维，并在ANSYS Fluent中对其进行数值模拟。这些值可用于通过设计具有非各向同性纤维排列的几何形状来创建更现实的掩模模拟案例，而不是我们的研究，其中多孔区域被设计为简单的圆柱体。模拟结果与实验数据吻合较好。在病毒过滤效率方面，在控制良好的实验中，医用口罩和Hy-Cu 5层过滤器对携带MS2病毒的气溶胶飞沫进行了过滤。新型过滤器效率为90%，一次性医用口罩效率为95%。 The Hy–Cu filter performs very well in terms of virus inactivation over a period of 2 h, in the presence of DLC layer, observing 99% efficiency. Future work can be done to characterize the kinetic decay of virus over time for DLC layer. This may help in reducing the re-usability time to lower than 2 h. Our study in this work is limited to test the filter when a susceptible person wearing the filter is exposed to infected droplets carrying the virus through the outermost layer. The future work can be extended to study the case where an infected person is wearing the filter and flow of virus droplets is from inside layer to outside. The novel Hy–Cu filter is an environmentally judicious and efficient substitute to the disposable masks currently used. It has very high performance in terms of inactivation, breathability and longer usability as well as virus filtration. The flexible design characteristics and reusable property, makes this a unique contribution to combat the current and future pandemic phases.