科工力量：N95口罩诞生史——中国被提名诺奖第一人缔造
【译/科工力量 陈辰】
N95口罩是一道横亘在COVID-19与人类健康之间的“屏障”。它能紧贴佩戴者的脸部，过滤掉空气中95％的细小颗粒物和病菌，但是医用外科口罩等却无法做到。目前，N95口罩因新冠肺炎疫情供不应求，成为比其他防护用品更具标志性的“符号”。
一层薄薄的织状聚合物，是如何成为21世纪最重要医疗防护用品的？这一切都始于1910年，一位不为人知的（华人）医生当时将世界从最严重的疾病之一中里拯救了出来。
图片均来自《Fast Company》
最初阻止“气味”的口罩
回溯历史，“很早以前人们就知道细菌和病毒可能会在空中漂浮而引起生病，于是便选择了口罩遮盖脸部。”克里斯托斯•林泰里斯（Christos Lynteris）说。林泰里斯是圣安德鲁大学社会人类学系的高级讲师，也是医用口罩历史方面的专家。
他指出在文艺复兴时期的画作中，人们用手帕遮住鼻子以避免生病。另外，还有在1720年法国马赛大鼠疫的画作中，掘墓者和老百姓在处理尸体时用布裹着自己的脸。但是，鼠疫当时是通过老鼠身上的跳蚤叮咬传播的。
林泰里斯说，“那时人们用布遮挡嘴巴和鼻子的原因，是基本都认为鼠疫之类的疾病源是瘴气，或是从地面散发出来的某种气体。”他们这样做是为了抵御“腐蚀”空气里的瘟疫，而非保护自己免受他人身上的病原体侵害。
“瘴气理论”驱使着预防瘟疫的口罩，遍及17世纪的欧洲。那些鉴别瘟疫的医生们戴上口罩，用棍棒轻拍来标记被感染的人。这种细长的口罩造型类似大鸟嘴，边缘处有两个“鼻孔”，可以用来装熏香。人们认为，通过保护自己免受鼠疫的气味侵袭，就能免受鼠疫本身的影响。
17世纪，罗马的瘟疫医生施纳贝尔医生的铜版画。
“恶臭会导致疾病。这种思想一直持续到19世纪初。”林特里斯说道。值得注意的是，200年后，一位名叫安托万·巴塞勒米·克洛特-贝（Antoine Barthélemy Clot-Bey）的法国医生认为，像鸟嘴一样的口罩本身就是瘟疫传播的罪魁祸首，因为它们使人感到恐惧，而受惊的身体患疾病的风险更大。
到了19世纪70年代末，科学家们深入了解了病菌。随着现代微生物学的出现，“瘴气理论”逐渐从人们视线中消失。然而，接下来发生的事情看上去几乎和以前完全一样。
“我们通常认为科学范式的转变会带来重大突破，但是到19世纪末，所有用来对抗病菌的技术都是基于‘瘴气理论’。”安托万·巴塞勒米·克洛特-贝表示。
1897年，医生们开始戴最初的外科口罩。不过，它们更像是一块裹在佩戴者脸上的、经过美化的手帕，也并不是用来过滤空气中的病菌——这仍然不是现代外科口罩的重点。它们曾经（现在也是）被用来防止医生在手术期间，咳嗽或打喷嚏时把飞沫溅到患者伤口上。
外科口罩和防护口罩的区别非常重要。外科口罩由比较单一的材料制成，松散地贴在佩戴者脸上，因此颗粒可以从侧面进入。而防护口罩会形成一个良好的密封，这样就能过滤吸入的空气。而让专业医护人员感到不安的是，他们在没有防护口罩的情况下只能戴外科口罩。
鼠疫里中国制造的新口罩
1910年秋，一场瘟疫在满洲（现指中国东三省）爆发。感染区域涉及中国和俄罗斯之间复杂的政治管辖区。
1911年，东北肺鼠疫期间医护人员佩戴着“防瘟疫口罩”。
“这是世界末日，难以置信。它杀死了所有感染者，无一生还。一旦出现症状，感染者就会在之后24至48小时内死亡。”林泰里斯说，“它与欧洲黑死病的情况差不多，在现代还没有人遇到过类似的事情。”
接下来是一场（医疗）科学的军备竞赛：推断是什么引起了瘟疫，并阻止它传播。“俄罗斯和中国都想证明自己的价值和科学性，因为这涉及一些主权要求。”林泰里斯表示，科学性足够充分的一方，将被赋予这个富饶而重要的地区控制权。
一位名叫伍连德的医生是当时中国的防疫带头人。他出生于马来西亚槟榔屿（注：祖籍广东广州府新宁县），在剑桥大学学习医学。林泰里斯表示，在一场迅速吸引了国际社会关注和世界各地医生的瘟疫中，他似乎显得“完全不重要”。
但在对其中一名病患做了尸检后，伍连德认定，这场鼠疫并非像许多人所怀疑的那样由跳蚤传播，而是通过空气传播的。
之后，伍连德对在西方国家见到过的外科口罩进行了升级。他用纱布和棉花制成了一种更结实的口罩，可以牢固地包裹在人脸上，同时还增加了几层布来过滤吸入物。伍连德的发明是一个重大突破，但一些医生仍然怀疑其功效。
林泰里斯说，一个有名的故事来自一位名叫杰拉德·梅斯尼（Gérald Mesny）的法国医生。在听完伍连德的鼠疫是由肺炎和空气传播理论后，那个法国医生羞辱了他，而且用非常种族主义的话说，“我们对中国人有什么期望呢？”
为了证明这一点，梅斯尼没戴伍连德的升级版口罩就去了瘟疫医院看病人，结果染上鼠疫，两天之后就去世了。
该地区的其他医生很快就研制出了自己的口罩。林特里斯表示，其中不乏一些像潜水面罩这种奇怪的设计。
伍连德设计的口罩最终胜出。因为在实验测试中，它们可以保护使用者免受病菌的侵害。根据林泰里斯的说法，这是一个非常棒的设计，可以用廉价而且随时可得的材料手工制作。
1911年1月至2月之间，口罩的产量增加到了数不过来的程度。医务人员、士兵，还有一些普通人都戴着它们。这不仅阻止了鼠疫的传播，也让口罩成为了现代医学的象征。
伍连德的口罩很快成为了国际媒体报道的对象。林泰里斯说，口罩是一种非常新奇的东西……它的“奇怪”效果正是新闻界所喜欢的。可以设计一张黑白图片上有一个白色口罩，这是一种非常好营销。
在1918年流感大流行期间，西雅图的一名有轨电车售票员和乘客戴着口罩。
1918年，当西班牙流感暴发时，伍连德的口罩在科学家乃至老百姓当中都是广为人知的。世界各地的公司都增加了类似口罩的生产，以减少流感的蔓延。
工业用品成医护神器
N95口罩是伍连德版口罩的“衍生品”。
在第一次和第二次世界大战中，科学家们发明了一种空气过滤式防毒面具，它可以包裹使用者的整个头部，以洁净呼入的空气。装有玻璃纤维过滤器的类似口罩，也开始在采矿业中用于预防黑肺病。
3M公司是N95防毒面具的生产商。“所有这种防毒面具都是巨大的”，3M公司的健康与安全主管妮基·麦卡洛（Nikki McCullough）说，“你可以在晚上把它们洗净，然后再继续使用。”
3M公司生产的N95口罩
这些防护设备可以挽救生命，但也是一个比较重的“负担”，主要原因是安装了过滤器。它的玻璃纤维会让呼吸变得困难，而且罩住佩戴者整个头，会让人觉得闷热。
到了20世纪50年代，科学家们开始了解吸入石棉的危害，但从事石棉工作的人宁愿不戴笨重的口罩。想象一下在30度高温的建筑工地上，用橡胶包裹头部的滋味，就可以理解他们的心情。
大约在同一时间，《美丽之屋》（House Beautiful）杂志的前装饰编辑，萨拉·特恩布尔（Sara Little Turnbull）开始咨询3M公司的礼品包装部门。为了制造坚硬的丝带，该公司开发了一种技术，可以将熔化的聚合物吹入细小的纤维。
后来，特恩布尔意识到这项技术有更大的潜力。于是她开始用垫肩的材料做实验，并利用时尚行业的人脉为自己提供建议。
1958年，她在3M公司做了一场题为《为什么》（Why）的演讲，解释3M公司为什么应该更大规模地进入无纺布行业。她提出了100多个关于这项技术的产品创意，并被指派设计一个成型的胸罩。
但50年代后期对特恩布尔来说很艰难，她花了很多时间去医院探望生病的家人，遗憾的是有三位亲人离世。从悲痛中走出来后，特恩布尔创造了一项新发明，就是3M公司1961年发布的一款“气泡”外科口罩。没错，它的灵感来自胸罩的罩杯。
当3M公司得知它不能阻挡病菌时，该口罩被重新命名为“防尘”口罩。
特恩布尔的外科口罩草图
当然，在原本不存在的医学或工作场所安全上，建立口罩使用标准是很难的。到了20世纪70年代，美国矿务局和国家职业安全与健康研究所合作建立团队，为他们所谓的“单次使用口罩”建立了第一个标准。
3M公司开发了首款一次性N95“防尘”口罩，并于1972年5月25日获批。他们没有使用玻璃纤维，而是选择对原有技术进行了优化，通过将熔化的聚合物吹入细小的纤维层中，从而能将较硬的礼品丝带制成过滤器。
麦卡洛说，“在显微镜下，它们看起来就像有人掉了一堆树枝，中间有很大的空隙。”
作为粒子，不管是二氧化硅还是病毒，飞进这个像迷宫一样的棍子时，它们会在转弯时被卡住。3M还在材料中加入了静电荷，因此即使是更小的颗粒也会被吸附到纤维上。与此同时，存在很多的大空隙，进而保证了呼吸的顺畅。
戴N95口罩的时间越长，它过滤颗粒物的效率就越高，被吸附的颗粒会帮助吸附更多。但随着时间的推移，佩戴者呼吸会变得越来越困难，因为纤维之间的缝隙会被颗粒堵塞。这也为什么N95口罩不能在尘土飞扬的环境中，一次佩戴超过8小时的原因。
N95口罩的迭代制造
N95口罩已有数十年的工业应用历史，直到上世纪90年代，耐药性肺结核的问题才使人们对防护口罩又有了临床需求。
肺结核病感染了许多医护人员。为阻止它在空气中传播，针对医疗机构的N95标准有了更新：医生们开始需要在帮助肺结核患者时佩戴它们。即便如此，医院至今很少使用防护口罩。因为只有像COVID-19这样的疫情爆发，才需要如此多的防护。
正如林泰里斯等许多人指出的那样，口罩在中国的重要性从未真正消失。伍连德后来建立了中国版的疾控中心，一度与诺贝尔奖擦肩而过（注：第一位被提名诺贝尔奖的华人）。他出现在许多人物传记中，包括他自己的自传。
近年来，在SARS爆发期间，中国民众戴上了口罩以防止疾病的传播。 当北京等城市遭遇严重雾霾，他们戴着口罩避免空气污染。
N95口罩并不完美。它的设计并不能很好地紧贴保护儿童，以及那些蓄须人士的面部。如果密封性不好，它就无法像广告说的那样起作用。此外，在高风险手术室中佩戴的N95口罩没有呼气阀，因此佩戴者会感到闷热。
N95口罩在数百年的发展过程中应对了多次危机，这种演变将一直持续到COVID-19大流行病结束。麦卡洛说，3M公司在不断重新评估N95口罩，进行从过滤器到人体工程学的全方位调整。
“我妈妈会说，它们的外观与1972年时的差不多，但我们希望它们看起来很简单，使用起来更便捷。”麦卡洛说道，“我们一直在改进技术，3M公司有成千上万的科学家在研究它。”
（本文译自美国最具影响力的商业杂志之一《Fast Company》3月24日发表的《N95口罩不为人知的起源故事》(The untold origin story of the N95 mask)，略有删减。）
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