綿マスクはウイルスの予防にN95マスクと同じくらい効果的です（DIYのヒントは覚えておいてください）

手作りの綿マスクを着用すると、ウイルスを効果的に予防できるだけでなく、環境を保護することもできます。

著者 |シャオイエ

北半球は2021年最も暑い季節を迎えようとしていますが、予測不可能な新たなコロナウイルス変異種は依然として人類の世界を脅かしています。私たちは、マスクの着用、社会的距離の確保、個人の衛生管理という「3つの予防策」を引き続き遵守する必要があります。

同国では、ほとんどの人にとってマスクの着用が日常的な習慣となっている。市場には使い捨て防護マスク、防塵マスクN90、N95、洗って繰り返し使えるマスクなど、さまざまなタイプのマスクがあり、供給も十分です。しかし、流行の初期には、世界的にマスクが不足した時期がありました。当時、独自のマスクの作り方を考案し、コロナウイルスの粒子を効果的にブロックできる最良の生地も発見した科学者のグループがいました。

COVID-19のパンデミックにより、多くの人が自宅からリモートワークを始めざるを得なくなりましたが、科学者も例外ではありません。エドワード・ヴィチェンツィは、米国のスミソニアン博物館保存研究所（MCI）の科学者研究者です。疫病が流行する前、彼の主な仕事は、さまざまな精密機器を使用して珍しい古代の遺物や遺跡を調査することだった。アメリカ国立標準技術研究所 (NIST) の化学者ジェイミー・ウィーバー氏は、バイキング時代以前のスウェーデンのガラス製品の化学を調査しています。

両科学者とも材料研究に精通しています。流行が始まった当初、彼らはNISTで働いていた他の2人の地球大気エアロゾル科学者、ジェームズ・ラドニー氏とクリス・ザングマイスター氏とチームを結成した。彼らは学界や保健当局からの要請に応え、専門知識と技術を駆使してマスクを手作りし、ウイルス粒子に効果的に耐えられるマスクの生地を研究した。

2020年、米国疾病予防管理センター（CDC）は公式サイトで、簡単な布マスクの作り方を3つ実演し、指導した。保護効果を高めるために、手作りマスクの内側に使い捨てサージカルマスクを着用することもお勧めします。

マスクの作り方の手順はかつて米国CDCの公式ウェブサイトに掲載されていた。しかし、実践能力は人それぞれ異なるため、個人で作ったDIYマスクの効果は異なります。その後、市場には十分なマスクが供給されるようになりました。現在、CDCは自宅でマスクを作ることを推奨しておらず、DIYマスクのページも削除しました。

Weaver は上図に示す方法を使用します。縫い合わせるにはミシンを使用する必要がありますが、手順は非常に簡単です。

1. 綿布（ベッドシーツや古いTシャツでも可）を長さ約25cm、幅約15cmの長方形に2枚切ります。

2. 重ねて、上、下、左、右を内側に折り、ミシンで縫い合わせます。

3. 次に、長い輪ゴムを 2 本取り、マスクの 2 つの短い辺に通して結び目を作り、結び目をサイドの縫い目に詰め込みます。

4.マスクとゴムバンドの位置を調整した後、マスクを顔にフィットさせてマスクの形を固定します。

5. 最後に、ゴムバンドがずれないようにサイドシームにしっかりと縫い付けます。このようにして、簡単な布マスクが作られます。

手作りマスクを作る際、ウィーバーさんの家族の背景が大きな役割を果たした。彼女の姓「ウィーバー」は「織り手」を意味します。実際、私の家族は5世代にわたって熟練した裁縫師であり、あらゆる種類の織物を収集していました。今回、ジェイミーさん自ら祖母が使っていたミシンを使い、自宅にある生地から手芸店で見つけた生地まで、さまざまな生地でマスクを作りました。安全性を高めるために、ウィーバーさんは布を3層に縫い合わせ、マスクがフィットしなくなるのを防ぐために鼻の近くにパッチも作った。

写真に写っている自作マスクを着用した4人の科学者は、この学術誌にマスクの素材に関する研究を発表した最初の科学者たちだ。左から右へ: ジェイミー・ウィーバー、ジェームズ・ラドニー、エドワード・ヴィチェンツィ、クリストファー・ザングマイスター |出典: NIST

布マスクを作る工程は簡単ですが、優れた保護効果を持つマスク生地を見つけるのは簡単ではありません。これは、4 人のメンバーからなるチームの研究の焦点でもあります。彼らは、1918 年のスペイン風邪の大流行時のマスクに関する記事をたくさん読みました。実際、マスクが外科用器具から一般大衆の生活に取り入れられるようになったのは、1918 年のインフルエンザの大流行によるものでした。

1919年の文書には、当時医療従事者が着用していた自家製の医療用マスクとその作り方が記されており、CDCが示す方法も同様である。丨出典：George H. Weaver、「飛沫感染とフェイスマスクによるその予防」、The Journal of Infectious Diseases、第24巻、第3号、1919年3月、218～230ページ、
https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

外出禁止令により、ヴィチェンツィ氏とウィーバー氏は研究所の最新設備にアクセスできなかった。しかし、DIYマスクが彼らにとって問題にならないのであれば、DIYラボも当然問題ない。彼らはウォルマートから、1台あたり30ドル未満で一連の簡易顕微鏡を購入しました。ヴィチェンツィ氏はまた、インターネット上で高解像度の顕微鏡を見つけました。この顕微鏡では、最大 2μm の精度で布地の繊維の詳細な特徴をはっきりと見ることができます。その後、チームが発表した論文の中で、ヴィチェンツィは繊維構造の高解像度かつ精巧な顕微鏡画像を多数作成しました。ヴィチェンツィ氏はまた、ビールクーラーの布地をテープで固定することで、簡易加湿器に改造した。このシンプルな実験装置のおかげで、2人の科学者はさまざまな布地サンプルの特性（多孔性、布地糸の密度、布地糸の厚さや組成など）を観察・テストすることができ、それによって布地がいかに小さなウイルス粒子に抵抗するかが明らかになる。

ビクネジさんは昨年4月に自宅に研究室を作り始めた。出典: エド・ヴィクネジ

彼らと比べると、ラドニーとザングマイスターはずっと幸運だった。彼らは疫病流行中に研究室で働くための特別許可を得た。その間、二人はウィーバー氏とヴィチェンツィ氏の自宅を行き来し、自宅の科学者たちに布地のサンプルの包みを届けた。同ユニットの実験室では、塩化ナトリウムを使って新型コロナウイルスをシミュレートし、「魔法のスプレーボトル」を使って直径50ナノメートルから825ナノメートルまでのさまざまなサイズの小さな粒子やエアロゾルを噴射した。研究者たちは、密閉された試験管の中でこれらの粒子が布地にどのように浸透するかを観察し、布地の両面の粒子数の比率を測定して、各タイプの布地のろ過効果を判定しました。

2020年6月には、4人からなるチームの研究結果がACS Nano [1]誌にすぐに掲載され、大きな話題を巻き起こしました。統計によると、この記事はオンラインで公開されて以来64,000回以上閲覧され、2020年の同誌の注目記事となった。

顕微鏡で見た、保護効果が最も高いいくつかの生地の拡大画像: A. 綿 100% のタオル、B1 と B2 は綿 100% の軽量フランネルの外側と内側の表面、C. ポリエステル 100% の衣料用生地、D. 綿 100% の枕カバー、E. ポリエステル 100% の短繊維 |出典: ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200

論文によると、4人の科学者は32種類の布地を選択し、その濾過効率、差圧、品質係数、構造パラメータを測定した。また、サージカルマスクやN95マスクに使用されているポリプロピレン繊維フィルター素材7種類とも比較した。結果によると、100%コットンフランネルはN95マスクと同様にウイルス粒子からの保護に最も優れており、次いで合成繊維織りが優れていることが分かりました。フランネルに、HEPA（高効率微粒子空気フィルター）フィルター、コーヒーフィルター布、または微細なエアロゾル粒子を捕捉できるその他の素材などのフィルター層を 1 つまたは 2 つ追加すると、マスクの防御機能がさらに向上します。

では、N95マスクはどのように作られるのでしょうか? N95マスクの原型は、1958年にアメリカのファッション編集者サラ・リトル・ターンブルが女性用下着のカップのデザインアイデアから生まれた。継続的な改良を経て、最終的なマスクは新型コロナウイルスの粒子の大きさに匹敵するエアロゾルを95％遮断できる。一般的に、ウイルス粒子1個の直径は約110ナノメートルだが、ザンマイスター氏の記録によると、新型コロナ肺炎患者の呼気中のウイルス塊はタンパク質や塩類に包まれており、その直径は1～2ミクロンに達することもある。 N95マスクを工業的に製造する場合、メルトブロー押し出し法を使用してN95のプラスチック繊維を変形させます。このようにして、異なる太さの繊維束が混合され、さまざまな形や質感が形成されます。この乱雑な混合織りにより、エアロゾルがマスクを通過するのを防ぎます。

N95マスク内部のプラスチック繊維構造がめちゃくちゃになっています。出典: エド・ヴィチェンツィ

ヴィチェンツィ氏のチームの構造画像化により、布製マスクがN95マスクと同様にウイルス粒子から身を守るメカニズムが明らかになった。フランネルなどの一般的な生地は、N95 とポリエステルの中間の内部構造を持っています。繊維は模様状に織り込まれていますが、それでも非常に不規則です。これは、フランネルを織る過程で、繊維の束が表面から立ち上がり、「毛羽」と呼ばれるものが形成されるためです。研究者たちは、この豪華な表面は生地に柔らかい手触りを与えるだけでなく、N95マスクのようにより多くのエアロゾル粒子を捕捉することも可能だと推測している。 「フランネルは繊維界のN95です」とヴィチェンツィ氏は言う。

効果の点ではN95マスクに次ぐフランネル生地の微細構造。出典: エド・ヴィチェンツィ

2021年3月8日、研究チームの2番目の論文がACS Applied Nano Materials誌[2]に掲載され、綿製マスクのもう一つの利点である湿度がマスクの保護効果を高めることがさらに明らかになった。

研究チームは、人が呼吸するときの高湿度環境をシミュレートし、新型コロナウイルスを含んだ飛沫が当たると親水性の布地（純綿布地など）のろ過効果が高まることを発見した。原理は簡単に理解できます。私たちが吐き出す息の湿度は100％で、綿のマスクは吸水性があるからです。水を吸収すると繊維が膨張して大幅に厚くなり、小さな内部空間がさらに狭くなり、エアロゾルがマスクを通過して鼻腔に入ることがますます困難になります。

対照的に、N95マスクに使用されている合成プラスチック繊維は疎水性であり、吐き出した水蒸気はマスクの内側の表面に凝縮します。ヴィチェンツィ氏は次のような例え話をした。「ブンブンと音を立てる虫がハエ取り網にぶつかるように、虫は網の表面に触れるとすぐにしっかりと捕らえられるのです。」同様に、綿マスク内の非常に湿度の高い環境では、エアロゾル粒子は水分を吸収して大きくなり、最終的には小さな空間に閉じ込められます。

乾いた素材と湿った素材と比較した綿マスクの濾過効果と保護効果のシミュレーション。乾いた布地を通過するエアロゾル粒子（図 a）は、濡れた布地を通過する粒子（図 b）よりも多くなっていることがわかります。出典：親水性布製フェイスマスクの水分補給によりナノ粒子の濾過が強化される

ただし、これは着用前にマスクを水に浸す必要があるという意味ではなく、綿のマスクを着用し続けると、マスク内の湿ったフィルター層が時間の経過とともにウイルス防御効果を高めることを意味します。

ご存知のとおり、COVID-19パンデミックの初期には、マスク着用の要否という問題が世界中で大きな論争を巻き起こしました。ヴィチェンツィ氏のチームの研究は、マスクがウイルス粒子を遮断する構造的メカニズムを明らかにし、中国のアプローチが正しいことを証明した。つまり、流行中は誰もが自分と他人の健康を守るためにマスクを着用すべきだということだ。

科学誌「サイエンス」に掲載された最近の研究[3]でも、日常生活でマスクを着用することで新型コロナウイルスの拡散を抑えることができることが理論的に証明されている。公共の場では、特にウイルス濃度が最も高い病院では、他人が吐き出した空気を吸うことは避けられません。防護服を着用せず、換気を維持しなければ、最も効果的な医療用マスクであっても十分な保護は提供できません。しかし、一般人の生活環境では、人々が吐き出すエアロゾル中の新型コロナウイルスの濃度は高くなく、ウイルス制限体制に属しています。誰もがマスクを着用していれば、たとえ最もシンプルな使い捨てサージカルマスクであっても、ウイルスとの接触の可能性を効果的に減らすことができ、残留ウイルスをより効果的に除去し、感染率をさらに下げることができます。要約すると、最大限の保護を実現するには、患者と健康な人の両方が、十分な換気と社会的距離を維持しながらマスクを着用する必要があります。

ウイルスが制限された環境、つまり一般の人々が生活する環境において、マスクを着用する場合と着用しない場合の違いは、赤い点は新型コロナウイルスを含むエアロゾル粒子を表し、緑の点はウイルスを含まないエアロゾル粒子を表すことです。丨出典：www.freeicons.io の Tinu CA、CC-BY 3.0 に基づいて配布。

伝染病に対する世界的な戦いは、極めて複雑で体系的な活動です。人間の行動が少しでも変わると、ウイルス感染の軌跡や影響は大きく変わる可能性があります。流行はまだ終わっておらず、絶えず変異する新しいコロナウイルスはいつでも私たちに新たな脅威をもたらす可能性があります。暑い夏が終わろうとしている今、自分と環境を守るためにも、好きな柄や色の綿マスクを自分で作ってみませんか。結局のところ、科学研究と生活実践の両方がマスク着用の実際的な意義を証明しており、それは確かに私たち一般人が疫病と戦うための最も強力な武器の一つです。

元の参照: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/using-store-bought-microscopes-and-eye-detail-heres-what-smithsonian-scientists-have-learned-about-mask-effectiveness-180977216/

参考文献

[1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05025

[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c03319

[3] https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1439

[4] https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218