Otaliga ursprungshistoria om N95 -masken

Det viktigaste designobjektet i vår tid var mer än ett sekel på gång.

Otaliga ursprungshistoria om N95 -masken

Det är svårt att tänka sig en symbol för COVID-19 som är mer tuff än N95-andningsskyddet. Masken sitter tätt runt ansiktet och kan filtrera 95% av luftburna partiklar, till exempel virus, från luften, vilket annan skyddsutrustning (t.ex. kirurgiska masker) inte kan göra. Det är en livräddande enhet som nu finns i farligt kort utbud . Som sådan har det kommit att representera de extrema utmaningarna i det globala svaret på COVID-19.



Hur blev en tunn polymerskopp den mest betydande hälsoanordningen under 2000 -talet? Allt började 1910 med en lite känd läkare som ville rädda världen från en av de värsta sjukdomar som någonsin känts.

De första maskerna handlade om att stoppa lukten

Att gå tillbaka ännu längre - långt innan vi förstod att bakterier och virus kan flyta genom luften och göra oss sjuka - människor improviserade masker för att täcka deras ansikten, säger Christos Lynteris. Lynteris är universitetslektor vid Institutionen för socialantropologi vid University of St. Andrews, som är expert på medicinsk maskhistoria.



Han pekar på målningar från renässanstiden där människor täcker näsan med näsdukar för att undvika sjukdom. Det finns till och med målningar från Marseille 1720, som var epicentrum för bubonic pesten, som visar gravar och människor som hanterar kroppar med tyg runt ansiktet, trots att pesten sprids av loppbett som reste på råttor.



Det var inte tänkt att vara mot smittan, säger Lynteris från praxisen. Anledningen till att dessa människor bar tyg runt munnen och näsorna var att de på den tiden trodde att sjukdomar som pesten var miasma eller gaser som kom från marken. Det var inte för att skydda dig från en annan person, de trodde att pesten fanns i atmosfären - korrupt luft.

Kopparstick av Dr Schnabel, en pestläkare i 1600 -talets Rom. [Bild: Wiki Commons ]

Teorin om miasma är det som drev utformningen av de ökända pestmaskerna som sågs över hela Europa på 1600 -talet, som skulle bäras av läkare som identifierade pesten och markerade de smittade genom att knacka på dem med en pinne. Dessa långsträckta masker liknade stora fågelnäbbar och hade två näsborre i maskkanten som kunde laddas med rökelse. Folk trodde att genom att skydda sig mot lukten av pesten, skulle de skyddas från själva pesten.



Stanken orsakar sjukdom. Denna [tanke] fortsatte ända fram till början av 1800 -talet, säger Lynteris. (Det är värt att notera att 200 år senare hävdade en fransk läkare vid namn Antoine Barthélemy Clot-Bey att de fågelliknande maskerna själva var ansvariga för spridningen av pesten eftersom de gjorde människor rädda och att en skrämd kropp löpte större risk för sjukdom.)

trampa inte på oss

I slutet av 1870 -talet lärde forskare om bakterier. Miasma föll ur mode när det moderna området för mikrobiologi växte fram. Och ändå såg det som kom nästa mycket ut som det som kom innan - minus de läskiga fåglarna. Vi tänker ofta på vetenskapliga paradigmskiften som leder till avbrott, men all teknik som användes mot bakterier i slutet av 1800 -talet var [riffs] på teknik från miasma.

En förhärligad näsduk

Läkare började bära de första kirurgiska maskerna 1897. De var inte mycket mer än en förhärligad näsduk knuten runt ansiktet, och de var inte utformade för att filtrera luftburna sjukdomar - det är fortfarande inte meningen med kirurgiska masker idag. De användes (och används) för att förhindra att läkare hostar eller nyser droppar på sår under operationen.



Denna skillnad mellan en mask och en respirator är viktig. Dess varför sjukvårdspersonal är upprörda över att de instrueras att bära kirurgiska masker när andningsskydd inte är tillgängliga. Masker är inte bara gjorda av olika material; de sitter löst i ansiktet, så att partiklar kan komma in från sidan. Andningsskydd skapar en lufttät tätning så att de faktiskt filtrerar inandning.

Den första moderna respiratorn är född av pest - och rasism

Sjukvårdspersonal i masker mot pest under den manchuriska pesten 1911. [Foto: artighet University of Cambridge/Center for Research in the Arts, Humanities and Social Sciences (CRASSH, University of Cambridge)/University of Hong Kong Libraries]

apple för att ta bort hörlursuttaget
Hösten 1910 utbröt en pest över Manchurien - det vi nu känner till som norra Kina - som delades upp i politiskt komplexa jurisdiktioner som delas mellan Kina och Ryssland.

Det är apokalyptiskt. Otrolig. Det dödar 100% av de smittade, ingen överlever. Och det dödar dem inom 24 till 48 timmar efter de första symptomen, säger Lynteris. Ingen har stött på något liknande i modern tid, och det liknar beskrivningarna av Black Death.

Det som följde var en vetenskaplig vapenkapplöpning, för att utläsa vad som orsakade pesten och stoppa den. Både Ryssland och Kina vill bevisa sig värda och vetenskapliga nog, för det skulle leda till ett krav på suveränitet, säger Lynteris. Den som är tillräckligt vetenskaplig bör få kontroll över detta rika och viktiga område.

Den kinesiska kejserliga domstolen tog in en läkare vid namn Lien-teh Wu för att leda sina ansträngningar. Han föddes i Penang och studerade medicin vid Cambridge. Wu var ung, och han talade usel mandarin. I en pest som snabbt väckte internationell uppmärksamhet och läkare från hela världen var han helt oviktig, enligt Lynteris. Men efter att ha genomfört en obduktion på ett av offren bestämde Wu att pesten inte sprids av loppor, som många misstänkte, utan genom luften.

Wu utvidgade sig på operationsmaskerna som han hade sett i väst och utvecklade Wu en hårdare mask av gasväv och bomull, som lindades säkert runt ansiktet och tillsatte flera lager tyg för att filtrera inandningar. Hans uppfinning var ett genombrott, men vissa läkare tvivlade fortfarande på dess effektivitet.

lägg mig i coachtexter

Det är en känd incident. Han konfronteras av en känd gammal hand i regionen, en fransk läkare [Gérald Mesny]. . . och Wu förklarar för den franska läkaren sin teori om att pesten är pneumonisk och luftburet, säger Lynteris. Och den franska killen förnedrar honom. . . och säger i mycket rasistiska termer: ”Vad kan vi förvänta oss av en kines?” Och för att bevisa denna punkt går [Mesny] och besöker de sjuka på ett pestsjukhus utan att bära Wu's mask, och han dör på två dagar med pest.

Andra läkare i regionen utvecklade snabbt sina egna masker. Några är . . . helt konstiga saker, säger Lynteris. Huvor med glasögon, som dykmasker.

Men Wu's mask vann eftersom den vid empiriska tester skyddade användare från bakterier. Enligt Lynteris var det också en fantastisk design. Det kunde konstrueras för hand av material som var billiga och i klar leverans. Mellan januari och februari 1911 ökade maskproduktionen till okända antal. Medicinsk personal bar dem, soldater bar dem, och vissa vanliga människor bar dem också. Det hjälpte inte bara till att motverka spridningen av pesten; maskerna blev en symbol för modern medicinsk vetenskap som såg en epidemi rätt i ögat.

Wu's mask blev snabbt en ikon genom internationella tidningsrapporter. Masken var en mycket ny sak. . . det hade en märklig effekt, som pressen älskade, men du föreställer dig ett svartvitt fotografi med en vit mask-det läser bra, säger Lynteris. Det är en marknadsföringsframgång.

En spårvagnsledare och passagerare i Seattle bär masker under pandemin 1918. [Foto: Wiki Commons ]

När den spanska influensan kom 1918 var Wu's mask välkänd bland forskare och till och med mycket av allmänheten. Företag runt om i världen ökade produktionen av liknande masker för att minska smittspridningen.

N95 är gjord för industrier men kommer precis i tid till sjukhus

N95 -masken är en ättling till Wu: s design. Under första världskriget och andra världskriget uppfann forskare luftfiltrerande gasmasker som lindades runt hela ditt huvud för att rengöra lufttillförseln. Liknande masker, laddade med glasfiberfilter, började användas i gruvindustrin för att förhindra svart lunga.

Alla andningsskydd var dessa gigantiska, gasmaskiga saker, säger Nikki McCullough, arbetsmiljöledare på 3M, som tillverkar N95-andningsskydd. Du tvättar dem på natten och du kan bära dem igen.

[Foto: 3M]

Denna utrustning räddade liv, men det var betungande och en stor anledning till varför filtren var. Glasfibern krävde mycket ansträngning för att andas, och hela huvudkapslingarna var heta att bära. Vid 1950 -talet började forskare förstå farorna med att andas in asbest, men människor som arbetar med asbest föredrog att inte bära skrymmande andningsskyddsmasker. Tänk dig att arbeta i konstruktion i 85-graders värme och ha huvudet inslaget i gummi för att skydda dig mot ett osynligt hot.

hur man gör google chrome snabbare

Ungefär samtidigt, en tidigare inredningsredaktör för Hus vackert tidningen heter Sara Little Turnbull började samråda med 3M: s presentförpackningsavdelning. För att göra styva band hade företaget utvecklat en teknik för att ta smält polymer och luftblåsa den till ett tyg av små fibrer. Turnbull insåg dock en större potential för denna process, och hon började experimentera med materialet för axelvaddar och utnyttjade anslutningar i modeindustrin för råd. Sedan 1958 höll hon en presentation på 3M, helt enkelt med titeln: Varför, som förklarade varför 3M skulle gå in i denna verksamhet av fiberduk på ett större sätt. Hon presenterade över 100 produktidéer för tekniken och fick i uppdrag att designa en formad behå.

Men slutet av 50 -talet var tufft för Turnbull, som tillbringade mycket tid med att besöka sjuka familjemedlemmar på sjukhus. Hon förlorade tre nära och kära i snabb följd. Och ur den sorgen kom en ny uppfinning: En bubbelkirurgisk mask som 3M släppte 1961, det ja, hämtar sin inspiration från koppen i en behå. När 3M fick veta att den inte kunde blockera patogener, märktes masken om som en dammmask.

Trumbulls skiss för en kirurgisk mask, som härrör från hennes 3M bh -design. [Bild: Center for Design Institute ]

Naturligtvis var det svårt att bygga standarder kring något som inte ens fanns ännu - för medicin eller arbetsplatssäkerhet. Vid 1970 -talet samarbetade Bureau of Mines och National Institute for Occupational Safety and Health för att skapa de första kriterierna för vad de kallade engångsskydd. Den första engångsapparaten N95 som vi känner till utvecklades av 3M och godkändes den 25 maj 1972. (Turnbull själv rådgjorde om denna linje in på 1980-talet-och för många andra företagskunder inklusive General Mills, Ford, Corning, och Revlon.) I stället för glasfiber återanpassade företaget den tekniken som den hade utvecklat för att göra styvare presentband till ett ordentligt filter. Under ett mikroskop ser de ut som att någon tappat ett gäng pinnar - och de har stora utrymmen mellan dem, säger McCullough.

När partiklar, oavsett om de är kiseldioxid eller virus, flyger in i denna labyrint av pinnar, fastnar de och gör svängar. Och ju längre du bär ett N95 -andningsskydd, desto effektivare blir det att filtrera bort partiklar. Fler partiklar hjälper bara till att filtrera fler partiklar. Men andningen blir svårare med tiden eftersom de gapande hålen mellan fibrerna täpps till av partiklar, varför en N95 -respirator inte kan bäras mer än cirka åtta timmar åt gången i en mycket dammig miljö. Det slutar inte filtrera; det hindrar dig bara från att andas bekvämt.

Sanningen är emellertid att dessa fysiska hinder bara är ett sekundärt sätt att en N95 -mask filtrerar partiklar. Huvudorsaken till att N95 -masken kan fungera är tack vare en osynlig, elektrisk laddning som lurar inuti den. Och den avgiften utvecklades genom bidrag från ytterligare en nyckelfigur: Dr. Peter Tsai.

se presidentdebatten live

Tsai är en nu pensionerad taiwanesisk amerikansk materialvetare som tillbringade sin karriär som forskare vid University of Tennessee. Under 1980 -talet utvecklade hans laboratorium en spraymikrofiberteknologi, i linje med vad 3M och Turnball hade arbetat med i åratal.

Fram till den tiden filtrerade alla masker mekaniskt. Det betyder att när en partikel flög genom den tidigare nämnda labyrinten skulle den ofta träffa en fiber längs vägen och fastna. Vi kom på att om vi kunde lägga laddningar i fibrer, så finns det förutom mekanisk kraft statisk kraft, säger Tsai. Med statisk attraktion kan en partikel dras mot filtret på grund av samma princip som låter dig hålla en ballong på din tröja på vintern.

År 1992 utvecklade Tsais laboratorium processen för att lägga till elektrostatisk laddning till material. 3M licensierade snart Tsais process genom University of Tennessee för att göra sina nu kända N95-masker.

Utan den elektrostatiska laddningen skulle N95s inte fungera så bra som de gör. Som Tsai beskriver har en N95-mask porstorlekar på cirka 20 mikron (vilket gör den andningsbar), medan SARS-CoV-2-viruset bara är 0,02 till 0,08 mikron. Den elektrostatiska laddningen löser denna storleksskillnad och ökar maskens effektivitet med 10 gånger. Sagt annorlunda, anledningen till att N95 -masken kan fungera är mest på grund av den elektriska laddningen som lurar inuti den, snarare än själva materialstrukturen. Ändå påpekar Tsai att N95 gick ut på marknaden med mycket liten fanfare på 1990 -talet.

Min uppfinning är inte speciell, säger Tsai, men det här är en speciell tid.

Andningsskydd användes i industriella tillämpningar i årtionden innan behovet av en andningsapparat gick tillbaka till kliniska miljöer på 1990-talet med ökningen av läkemedelsresistent tuberkulos. HIV hade mycket att göra med spridningen över immunkompromitterade patienter, men tuberkulos infekterade också många vårdpersonal. För att stoppa spridningen i luften uppdaterades N95 -standarder för vårdinställningar och läkare började bära dem när de hjälpte tuberkulospatienter. Ändå används andningsskydd sällan på sjukhus än idag eftersom det bara är utbrott som COVID-19 som kräver så mycket skydd.

Som Lynteris och många andra påpekar, bleknade respiratorn aldrig riktigt av betydelse i Kina. Wu fortsatte med att grunda Kinas version av CDC, saknar knappt att vinna ett Nobelpris och finns med i många biografier (inklusive hans egen självbiografi). På senare tid, under SARS -utbrottet, hade människor i Kina ansiktsskydd för att förhindra spridning av sjukdom. När föroreningar tog över städer som Peking, bar de andningsskydd för att filtrera föroreningar.

N95 -andningsskyddet är inte perfekt. Det är inte utformat för att täta väl i ansiktet på barn eller personer med ansiktshår, och om det inte tätar fungerar det inte som annonserat. Dessutom har N95-varianter som bärs i högriskoperationsrum inte en utandningsventil, så de kan bli särskilt heta att bära.

Men N95 -andningsskyddet utvecklades under hundratals år som svar på flera kriser. Den utvecklingen kommer bara att fortsätta utöver COVID-19-pandemin. McCullough säger att 3M omvärderar ständigt N95 -andningsskyddet, justerar allt från dess filter till dess ergonomi. Min mamma skulle säga att de ser ungefär likadana ut [som 1972], men vi vill att de ska se enkla ut så att de är enkla och intuitiva att använda, säger McCullough. Vi förbättrar alltid tekniken. Vi har tusentals forskare vid 3M som arbetar med [det].