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抗病原面罩的制作方法

抗病原面罩
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年4月14日提交的美国临时申请第63/009,842号的优先权；所述美国临时申请的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开涉及抗病毒、抗细菌且抗真菌的组合物、系统、方法和装置。更具体地，本公开涉及用于病毒、细菌和真菌的灭活和裂解的氮化硅组合物、装置和涂层。

背景技术：

4.普遍需要对病毒、细菌和真菌进行安全且可靠的灭活、去除或裂解。广泛需要控制影响人类健康的病原体。不仅需要针对人类药物疗法具有抗病原性质的材料，而且还需要用于各种医疗装置或设备、检查台、衣服、过滤器、口罩、手套、导管、内窥镜仪器等的抗病原表面涂层和/或复合物的用途。
5.口罩和呼吸器通常仅限于一次性使用，因为过滤器上捕获的病原体可能会导致交叉感染、新的气溶胶释放和受污染的废弃物，因为它们能够在表面上存活数小时至数天。空气传播性颗粒被认为是如流感和sars-cov-2等病原体的主要传播途径。面部覆盖物对于源头控制至关重要，但当今生产的绝大多数口罩都是简单的过滤装置。被截留在口罩中的病毒颗粒不仅会在日常使用期间污染佩戴者，而且在口罩调整或移除期间也会被重新雾化；并且污染的口罩对处置来说是一种重大的生物危害。这是不幸的，因为外科口罩和呼吸器上的病毒存活率在临床上是可以预防的。例如，由于铜具有抗微生物特性，几个世纪以来，铜一直被用于普通医院和家居用品。它已被并入到外科口罩中，但浓度高于营养水平时有毒。几种其它抗病毒剂也被提议用于口罩或呼吸器。所述抗病毒剂包含银、锌、碘、壳聚糖、肽、季铵盐和纳米颗粒。大多数这些化合物的有效性尚未得到临床证明，并且它们的价值仍然值得商榷，因为它们可能是毒素、过敏原、刺激物，或者它们的细菌或杀病毒功效有限或者价格昂贵。
6.因此，需要用于灭活和杀死病毒、细菌和真菌的安全且可靠的方法，所述方法可以应用于口罩、医疗装置、设备、衣服或可能与人体长时间接触的其它系统。

技术实现要素：

7.本文提供了用于将病毒灭活和/或防止病毒传播的抗病毒面罩的实施例。一方面，所述面罩可以包含面罩主体，所述面罩主体包含纤维材料，其中氮化硅粉末浸渍在所述纤维材料中。在一些实施例中，所述面罩主体可以包含围绕所述纤维材料的外层。在一些实施例中，所述氮化硅可以以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在于所述纤维材料中，并且所述氮化硅将与所述抗病毒面罩的所述纤维材料接触的病毒灭活。在一些方面中，所述纤维材料中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。
8.所述面罩主体可以由纤维材料制成，使得当含有所述病毒的液滴或气溶胶被面罩
纤维捕获时，所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。所述病毒可以与所述氮化硅粉末接触至少1分钟。
9.本文还提供了抗病毒面罩的实施例，所述抗病毒面罩包含面罩主体以及所述面罩主体中的一个或多个过滤器，每个过滤器包含至少一个层，其中氮化硅粉末浸渍在所述层中。所述氮化硅可以以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在，并且所述氮化硅将与所述抗病毒面罩的所述一个或多个过滤器接触的病毒灭活。在一些方面中，每个过滤器中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。
10.所述面罩主体和/或一个或多个过滤器由纤维材料制成，使得当含有所述病毒的液滴或气溶胶被一个或多个过滤器捕获时，所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。所述病毒可以与所述氮化硅粉末接触至少1分钟。
11.本文还描述了一种防止病毒的传播的方法。所述方法可以包含使抗病毒面罩与所述病毒接触，其中氮化硅粉末以约1wt.％至约15wt.％的浓度浸渍在所述面罩的纤维材料中。在一些方面中，所述纤维材料中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。所述氮化硅将所述病毒灭活。
12.在一些方面中，所述面罩和/或过滤器由纤维材料制成，使得含有所述病毒的液滴或气溶胶被口罩或过滤纤维捕获，并且所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。所述病毒可以与所述氮化硅粉末接触至少1分钟。
13.下文更彻底地描述了本发明的其它方面和迭代。
附图说明
14.图1是甲型流感病毒的图示。
15.图2a是暴露于0wt.％、7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟的病毒的图示。
16.图2b是用于测定用根据图2a暴露于si3n4的病毒接种的细胞的活力的方法的图示。
17.图3a是暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟和30分钟的病毒的图示。
18.图3b是用于确定病毒在根据图3a暴露于si3n4后的活力的方法的图示。
19.图4a是根据图2a暴露于0wt.％、7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟的甲型流感的pfu/100μl的图。
20.图4b是根据图2b用暴露于7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟的甲型流感接种的细胞的细胞存活率的图。
21.图5包含用已经暴露于各种浓度的si3n4的不同比率的病毒:浆料接种的细胞的照片。
22.图6a示出了接种前mdck细胞的荧光显微镜术图像。
23.图6b示出了用暴露于对照的病毒接种后mdck细胞的荧光显微镜术图像。
24.图6c示出了用暴露于30wt.％si3n4的病毒接种后mdck细胞的荧光显微镜术图像。
25.图7a是在室温下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感的pfu/100μl的图。
26.图7b是用在室温下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感接种的细胞的细胞存活率的图。
27.图8a是在4℃下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感的
cov-2病毒一起温育1、5和10分钟的氮化硅的以pfu/ml表示的滴度。
54.图25b示出了浓度为5、10、15和20wt.％/vol的与在细胞培养基中稀释的sars-cov-2病毒一起温育1、5和10分钟的氮化硅的以抑制％表示的滴度。
55.图26a、图26b、图26c和图26d是示例抗病毒面罩。
56.图27a、图27b和图27c是示例抗病毒面罩。
57.图28a是示例抗病毒面罩的主体的横截面。
58.图28b是示例抗病毒面罩的主体的横截面。
59.图28c是示例抗病毒面罩的主体的横截面。
60.图29是制造嵌入有氮化硅颗粒的织物的示例方法。
61.图30是用于制造嵌入有氮化硅颗粒的织物的示例系统。
具体实施方式
62.下文详细讨论了本公开的各个实施例。虽然讨论了具体实施方案，但是应当理解，这仅仅是出于说明的目的进行的。相关领域的技术人员将认识到，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以使用其它组件和配置。因此，以下描述和附图是说明性的并且不应被解释为限制性的。描述了许多具体细节以提供对本公开的透彻理解。然而，在某些情况下，未对公知的或常规的细节进行描述，以避免混模糊描述。在本公开中对一个实施例或实施例的引用可以是对相同实施例或任何实施例的引用；并且，此类引用意指实施例中的至少一个实施例。
63.现在将呈现适用于整个本公开的若干定义。对“一个实施例(one embodiment)”或“一实施例(an embodiment)”的引用意味着结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性包含在本公开的至少一个实施例中。在本说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指代同一个实施例，也不是与其它实施例相互排斥的单独实施例或替代性实施例。此外，描述了可以由一些实施例但不由其它实施例展现的各种特征。
64.如本文所用，术语“包括(comprising)”、“具有(having)”和“包含(including)”以其开放的非限制性的意义使用。术语“一个/一种(a和an)”和“所述”被理解为涵盖复数以及单数。因此，术语“其混合物”也涉及“其混合物”。
65.如本文所用，“约”是指数值，包含整数、分数、百分比等，无论是否明确指出。术语“约”通常是指会认为等同于所列举的值(例如，具有相同的功能或结果)的数值范围，例如，所列举的值的
±
0.5-1％、
±
1-5％或
±
5-10％。
66.如本文所用，术语“设备”包含组合物、装置、表面涂层和/或复合物。在一些实例中，设备可以包含各种医疗装置或器材、检查台、衣服、过滤器、口罩、手套、导管、内窥镜仪器等。设备可以是金属的、聚合的和/或陶瓷的(例如，氮化硅和/或其它陶瓷材料)。
67.如本文所用，术语“氮化硅”包含si3n4、α相或β相si3n4、siyalon、siyon、sialon或这些相或材料的组合。
68.如本文所用，“灭活(inactivate)”或“灭活(inactivation)”是指病毒灭活，其中通过完全去除病毒或使其无感染性来阻止病毒污染产品或受试者。
69.如本文所用，“个人防护设备”或“ppe”意指个人佩戴或以其它方式使用以最小化与病原体或其它有害物质的接触的任何装置、制品或装置。ppe的非限制性实例包含身体
套、头套、鞋套、面罩、护目镜、护脸和护目镜以及手套。
70.在本公开的上下文内以及在使用每个术语的具体上下文中，本说明书中使用的术语通常具有其在本领域中的普通含义。对于在本文所讨论的术语中的任何一个或多个术语，可以使用替代性语言和同义词，并且不管术语是否在本文详细说明或讨论，都不应加以特殊意义。在一些情况下，提供某些术语的同义词。对一个或多个同义词的详述并不排斥其它同义词的使用。本说明书中任何地方使用的实例(包含本文所讨论的任何术语的实例)仅是说明性的并且不旨在进一步限制本公开或任何示例术语的范围和含义。同样地，本公开不限于在本说明书中给出的各个实施例。
71.本公开的另外特征和优点将在随后的描述中阐述并且在某种程度上将根据描述而变得明显或者可以通过实践本文公开的原理来进行了解。本公开的特征和优点可以借助于所附权利要求中特别指出的仪器和组合来实现和获得。本公开的这些和其它特征将根据以下描述和所附权利要求而变得更为充分地显而易见或者可以通过实践本文所阐述的原理来进行了解。
72.本文提供了包含氮化硅(si3n4)以用于将病毒、细菌和真菌灭活的抗病原装置、组合物和设备。氮化硅具有独特的表面化学，所述表面化学具有生物相容性并且提供了许多生物医学应用，包含1)如在脊柱植入物和牙科植入物中并发的骨生成、骨诱导、骨传导和抑菌；2)根据不同的机制杀死革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌两者；3)人类和动物病毒、细菌和真菌的灭活；以及4)聚合物或金属基体复合物、天然或人造纤维、聚合物或含有氮化硅粉末的金属保留关键的氮化硅骨恢复、抑菌、抗病毒和抗真菌性质。
73.在实施例中，抗病原组合物可以包含氮化硅。例如，抗病原组合物可以包含氮化硅粉末。在一些实施例中，抗病原组合物可以是包括100％氮化硅的整体式组件。这种组件可以是全致密的，从而不具有内部孔隙率，或者这种组件可以是多孔的，从而具有在约1％到约80％的范围内的孔隙率。整体式组件可以用作医疗装置或者可以用于可能期望将病毒、细菌和/或真菌灭活的设备中。在另一个实施例中，可以将抗病原组合物并入装置内或涂层种以将病毒、细菌和真菌灭活。在一些实施例中，抗病原组合物可以是包括氮化硅粉末的浆料。
74.在一些实施例中，抗病原组合物可以将人类病毒、细菌和/或真菌灭活或减少其传播。可以被抗病原组合物灭活的病毒的非限制性实例包含流感、肠道病毒和冠状病毒(例如，sars-cov-2、甲型流感、h1n1、肠道病毒和猫杯状病毒)。例如，氮化硅生物陶瓷可以有效地将甲型流感病毒灭活。在另一个实例中，氮化硅粉末可以对sars-cov-2的灭活有效。在一些实施例中，氮化硅涂层可以减少抗细菌和抗病毒抗性和/或促进骨组织恢复。
75.不受特定理论的限制，氮化硅可以提供表面化学，使得氨(nh3)可用于病毒、细菌或真菌灭活。氮化硅的表面化学可以如下示出：
76.si3n4+6h2o
→
3sio2+4nh377.sio2+2h2o
→
si(oh)478.氮洗脱得(在数分钟之内)比硅更快，因为表面硅醇相对较稳定。对于病毒，令人惊讶地发现，氮化硅可以通过碱性酯基转移来提供rna切割，这导致基因组完整性损失和病毒灭活。这还可能降低血凝素的活性。
79.在实施例中，抗病原组合物可以展现出示出以下的洗脱动力学：(i)缓慢但连续地
从固态而不是从通常的气态洗脱氨；(ii)对细胞没有伤害或负面影响；以及(iii)智能地随着ph的降低，洗脱增加。
80.装置或设备可以在装置的表面的至少一部分上包含氮化硅，以用于抗病毒、抗细菌或抗真菌作用。在实施例中，装置可以在装置的表面的至少一部分上包含氮化硅涂层。氮化硅涂层可以作为粉末施加到装置的表面。在一些实例中，氮化硅粉末可以嵌入或浸渍在装置的至少一部分中。在一些实施例中，粉末可以具有微米、亚微米或纳米大小范围内的颗粒。平均粒度可以在约100nm至约5μm、约300nm至约1.5μm或约0.6μm至约1.0μm的范围内。在其它实施例中，可以将氮化硅并入装置中。例如，装置可以将氮化硅粉末并入装置的主体内。在一个实施例中，装置可以由氮化硅制成。
81.氮化硅涂层可以以约1wt.％到约100wt.％的浓度存在于装置的表面上或装置内。在各个实施例中，涂层可以包含约1wt.％、2wt.％、5wt.％、7.5wt.％、8.3wt.％、10wt.％、15wt.％、16.7wt.％、20wt.％、25wt.％、30wt.％、33.3wt.％、35wt.％或40wt.％氮化硅粉末。在至少一个实例中，涂层包含约15wt.％氮化硅。在一些实施例中，氮化硅可以以约1wt.％到约100wt.％的浓度存在于装置或设备中或装置或设备的表面上。在各个实施例中，装置或设备可以包含约1wt.％、2wt.％、5wt.％、7.5wt.％、8.3wt.％、10wt.％、15wt.％、16.7wt.％、20wt.％、25wt.％、30wt.％、33.3wt.％、35wt.％、40wt.％、50wt.％、60wt.％、60wt.％、70wt.％、80wt.％、90wt.％至100wt.％氮化硅。
82.在各个实施例中，出于抗病原性质而包含氮化硅的装置或设备可以是医疗装置。装置或设备的非限制性实例包含骨科植入物、脊柱植入物、椎弓根螺钉、牙科植入物、留置导管、气管内管、结肠镜检查镜和其它类似装置。
83.在一些实施例中，氮化硅可以并入或作为涂层应用于具有抗病原性质的材料或设备，如聚合物、织物、ppe、手术服、管道、衣服、空气和水过滤器(例如，家庭、工业或医疗加热、通风和空气调节、麻醉机、呼吸机或cpap机的过滤装置)、口罩、如医院检查和手术台等桌子、服务台、固定装置、把手、旋钮、玩具或牙刷。
84.在一实施例中，可以将氮化硅并入到ppe中以将与ppe接触的病毒灭活或防止病毒传播。在一个实施例中，ppe是口罩，并且将氮化硅嵌入到面罩的至少一部分中形成抗病毒面罩，所述抗病毒面罩捕获与面罩接触的病毒并将其灭活。不受任何一种理论的限制，抗病毒面罩可以“捕获并杀死”与面罩内的氮化硅接触的病毒，使得病毒不仅被捕获在面罩内，而且还被灭活。氮化硅的灭活机制可以迅速发挥作用以避免交叉感染，并且病毒可以以毒株非特异性的方式被中和。
85.本文使用的术语“抗病毒面罩”或“面罩”可以指外科面罩、过滤面罩、织物可清洗面罩、呼吸面罩、杯式呼吸器、过滤面具呼吸器、弹性体半面具呼吸器、弹性体全面具呼吸器、全覆盖面罩、半面罩或带筒的全面罩、半面罩或带罐的全面罩、动力空气净化呼吸器或任何可佩戴在佩戴者的面部以保护佩戴者免于潜在病原体的口罩。在至少一个实例中，面罩可以是外科面罩。在另一个实例中，面罩是呼吸器。抗病毒面罩可以在口罩的至少一部分上包含氮化硅。在一些实例中，抗病毒面罩可以是一次性的并且旨在一次性使用。在其它实例中，抗病毒面罩可以是可重复使用的，使得它可以是可消毒的和/或它可以利用可更换的过滤器。
86.图26a-26d是可以在口罩的至少一部分上包含氮化硅的抗病毒面罩的非限制性实
例。参考图26a，在一些实施例中，抗病毒面罩100可以是外科口罩。在此实施例中，抗病毒面罩100可以包含面罩主体102以及一个或多个可操作以将面罩主体固定到佩戴者的固定机构108。在一些实例中，面罩主体102可以包含用于辅助面罩贴合佩戴者的面部的一个或多个褶皱103。图26b是示例抗病毒面罩100，其具有没有褶皱的面罩主体102。在一些实施例中，面罩主体102可以包含至少一个层，其中氮化硅粉末并入或嵌入在所述层内。
87.在一些实施例中，如例如在图26c中所见，抗病毒面罩100可以是杯式呼吸器。在此实施例中，抗病毒面罩100可以包含面罩主体102、一个或多个固定机构108、以及位于面罩主体102的顶部部分上的用于将面罩100调整到佩戴者的鼻子上方的可变形条带104。可变形条带104可以附接在前表面106上的面罩主体102的顶部边缘105附近。可变形条带104可以由佩戴者容易地使其变形的材料制成，包含但不限于塑料、包裹在塑料中的弹簧钢丝或可延展铝。在另外的实施例中，如例如在图26d中所见，面罩主体102可以进一步包含用于并入到口罩中的一个或多个端口/阀107或一个或多个过滤器109。在一实例中，过滤器109可以包含并入或嵌入在过滤器内的氮化硅粉末。氮化硅可以位于层中或者可以均匀地分布在整个过滤器中。在一些实例中，过滤器109可以是一次性的和可更换的。
88.在一实施例中，抗病毒面罩100可以包含一次性的可更换的过滤器109。在其它实施例中，面罩100可以包含用于收纳一次性过滤器的袋(未示出)，其中氮化硅粉末并入或嵌入在过滤器内。在另外的实施例中，抗病毒面罩100可以由具有可变形条带104、一个或多个固定机构108(例如，可调节条带)、呼吸阀107和/或下巴防护装置的可清洗织物制成。过滤器可以是一体的或可插入到这些面罩配置中的每一个中。
89.图27a-27c示出了面罩的更多实例，所述面罩可以包含口罩内的氮化硅、插入到口罩中的过滤器、附接到口罩的筒和/或附接到口罩的罐。图27a是示例双筒可重复使用的半口罩，其可以在面罩主体102和/或一个或多个筒116中包含氮化硅。图27b是示例双筒可重复使用的全面罩，其可以在面罩主体102和/或一个或多个筒116中包含氮化硅。图27c是示例自给式呼吸设备，其可以在面罩主体102、一个或多个筒116和/或一个或多个罐118中包含氮化硅。
90.口罩的其它非限制性实例包含可以在面罩主体或过滤器中包含氮化硅的微粒半口罩、可以在面罩主体和/或一个或多个筒中包含氮化硅的双筒一次性半口罩、可以在面罩主体和/或一个或多个罐中包含氮化硅的罐式防毒面具、可以在面罩主体和/或一个或多个罐中包含氮化硅的动力空气净化呼吸器、可以在面罩主体和/或一个或多个罐中包含氮化硅的连续流动供气式呼吸器以及具有两个吸入阀的可操作以容纳过滤器或筒和呼出阀的全面罩。
91.再次参考图26a-27c，面罩100可以被配置成放置在佩戴者的鼻子和嘴巴上方，并且可以包含用于将面罩附接到佩戴者的一个或多个固定机构108。固定机构108可以是用于将面罩固定到佩戴者的面部的一个或多个条带、环、钩、带或垫带。固定机构108可以由弹性材料或制成面罩主体的任何纤维材料制成。在至少一个实例中，面罩100可以包含两个环108，所述环中的每个环可操作以固定到佩戴者的耳朵。在另一个实例中，面罩100可以包含两个条带，所述条带中的每个条带可操作以固定到佩戴者的头部后方。在另外的实例中，面罩100可以包含用于固定在佩戴者的头部周围的多个条带或带。面罩主体102的外层106可以接触佩戴者的面部，使得纤维材料不与佩戴者直接接触。
92.面罩主体102和/或过滤器109可以包含至少一个层、至少两个层、至少三个层或至少四个层。在一些实施例中，面罩主体的一个或多个层可以由纤维材料制成。纤维材料可以是织造或非织造材料并且可以是透气的或不透气的。在一些实例中，纤维材料可以是纺粘无纺布。纤维材料的非限制性实例包含聚丙烯、人造丝、聚酯、纤维素、如kn95、n95、n97、n99或n100过滤器等非耐油材料、如p95、p97、p99或p100过滤器等耐油材料和/或如r95、r97、r99或r100过滤器等半耐油材料。面罩主体的每个层可以包含相同或不同的纤维材料。纤维材料可以具有嵌入其中的氮化硅。在一些实施例中，纤维材料可以是可移除的和/或一次性的。例如，在一些实例中，含有纤维材料的层和/或过滤器可以从口罩主体的其余部分移除并且可以在单次使用后丢弃。
93.图28a-28c是面罩主体102和/或过滤器109的横截面的非限制性实例。在一个实例中，如图28a所示，面罩主体102可以包含纤维材料111和外层112。在此实例中，面罩主体102可以具有围绕纤维材料111的外层112，其中将氮化硅粉末并入或浸渍在面罩主体102的纤维材料111中。纤维材料111可以完全被外层112包围，使得外层112基本上用作第一层和第三层，而纤维材料111是夹在第一层与第三层之间的第二层。图28b是具有三个层——具有氮化硅的纤维材料111、第一外层113和第二外层114的面罩主体102的示例横截面。在一些实例中，第一外层113和第二外层114可以由相同的材料制成，使得它们的功能类似于在图28a中所见的单个外层112。在其它实例中，第一外层113和第二外层114可以由不同的材料制成。图28c是具有四个层——具有氮化硅的纤维材料111、第二内层115、第一外层113和第二外层114的面罩主体102的示例横截面。在一些实例中，第一外层113和第二外层114可以由相同的材料制成，使得它们的功能类似于在图28a中所见的单个外层112。在其它实例中，第一外层113和第二外层114可以由不同的材料制成。纤维材料可以包括无纺布，如纺粘织物。在一些实例中，纤维材料111、第二内层115、第一外层113、第二外层114和/或外层112可以包含但不限于聚丙烯、聚酯、人造丝、尼龙、丙烯酸纤维、n95过滤器、锌、铜、银、碘、柠檬酸、柠檬酸铵或其它具有抗病毒性质的化合物。在另外的实例中，第二内层115、第一外层113、第二外层114和/或外层112可以包含氮化硅。
94.在一些实例中，面罩主体可以进一步包含用于收纳一个或多个过滤器、罐或筒的一个或多个端口或袋。在各个实施例中，如果面罩包含至少一个过滤器，过滤器可以与图28a-28c中的横截面类似地分层。在一些实例中，过滤器可以包含在所述过滤器的至少一部分内的氮化硅。在其它实例中，过滤器可以包含n95过滤器或碳过滤器。在各个实例中，过滤器可以是一次性的和可更换的。
95.在一些实施例中，面罩主体的一个或多个层和/或一个或多个过滤器可以涂覆有氮化硅粉末。在一实例中，纤维材料或过滤器可以涂覆有氮化硅。本领域已知的标准涂覆方法可以用于涂覆面罩主体或过滤器。
96.在其它实施例中，可以使用包含但不限于静电纺丝、熔体纺丝、熔喷、编织或超声浸渍/嵌入的方法将氮化硅嵌入、并入或浸渍到面罩主体的层、过滤器、罐或筒中。
97.在一实施例中，氮化硅可以使用超声处理嵌入到无纺布如聚丙烯中。所得经氮化硅嵌入的织物可以用于形成任何ppe。可以使用多步骤工艺来实现si3n4颗粒与织物的适当表面化学、附接和活化。图29是示例制造方法1000并且图30是用于将氮化硅嵌入到非织造纺粘聚丙烯纤维中的示例制造系统200。
98.基于包装、运输或储存，无纺布(即，稀松布)可能需要预清洁。因此，预处理步骤的目的是清洁织物，改善其润湿特性，并且添加偶联剂。首先，织物202被预处理以提高清洁度和润湿性。在步骤1002中，作为第一预处理步骤，在第一超声预处理槽204中的热去离子水中清洗织物202。槽204的构造允许织物202稀松布在辊216的张力下在槽的底部上方约8与10cm之间的距离处连续移动通过预处理水浴。超声换能器218可以定位于槽的外部底部。在一些实例中，超声换能器218可以在≥1000w 25khz超声能量和至多2000w的热能下操作。预处理水浴温度可设定为95℃≤t≤100℃。织物202在浴中的驻留时间可以至多约5、10、15或20分钟。例如，如果预处理槽204中的织物202的长度在任一时间为约60cm，则织物202通过浴槽的速度可以为6厘米/分钟。此第一预处理槽204的目的是去除有机化学品和松散附着的污染物。预处理槽204在连续循环和过滤系统下操作以从水中去除污染物。在离开预处理槽204时，压力绞拧机220将多余的水从织物202中挤出。
99.在步骤1004中，作为第二预处理步骤，织物在第二超声预处理槽206中用偶联剂处理。第二超声预处理槽可以含有具有有机偶联剂的水浴。偶联剂可以促进si3n4颗粒与织物的结合。偶联剂的各个实例包含季铵化合物(溴化物)、氢氧化物、氟化物或氯化物，它们的碳链长度可以不同但具有相同或相似的官能团。在一个实施例中，偶联剂为正十二烷基三甲基溴化铵(dtab)。在另一个实施例中，偶联剂可以是双十八烷基二甲基溴化铵(doda)。水浴可以在水中以约1:200至约1:1000的重量比含有偶联剂。例如，1:200比率可以是200g克水中的1g dtab，并且1:1000比率可以是1,000g水中的1g dtab(即，每升1g)。超声换能器218可以定位于槽的外部底部。在一些实例中，第二超声预处理槽206可以在与第一预处理槽204相同的条件下操作。由于偶联剂在此过程期间会吸附到织物上，因此需要补充溶液。这可以通过与超声预处理槽206本身内的机械搅拌耦接的计量添加系统来实现，或者作为使用再循环泵送系统(未示出)与超声预处理槽206连接的单独的较大混合槽来实现。在离开第二超声预处理槽206时，压力绞拧机220将多余的水从织物202中挤出，并且可以使用在约100℃下操作的加热鼓风机(未示出)从织物202中去除残留的水分。
100.在步骤1006中，在具有水、分散剂和si3n4颗粒的超声槽208中使用超声处理将si3n4颗粒嵌入在织物中。在一个实施例中，可以将织物202稀松布连续进料到含有水性si3n4分散体的第三超声槽208中。在使织物202通过超声槽208之前，可以制备si3n4浆料分散体。浆料的组成可以包含si3n4粉末、分散剂和去离子水。分散剂可以是各种有机化合物的铵盐，如柠檬酸铵。分散剂的选择和使用对于本领域的技术人员来说是常见的。在一实例中，分散剂可以是dolapix a88。在至少一个实例中，浆料可以包含210g si3n4粉末、2.1g dolapix a88分散剂和790g去离子水。此组合物对应于约21wt.％si3n4粉末。可以调整浆料组成以实现si3n4颗粒的期望的浓度。通常，浆料组合物可以在约5wt.％至约40wt.％si3n4颗粒的范围内。可以使用高剪切(螺旋桨作用)混合器在单独的混合槽中制备浆料，其中使用再循环泵送系统(未示出)将si3n4粉末、分散剂和水(根据需要)计量进料到超声槽208中。嵌入本身发生在超声槽208内。与预处理类似，超声换能器系统222在≥1000w 25khz的超声能量和至多2000w的热能下以及在65℃≤t≤75℃的温度下操作。织物202在超声槽208内的驻留时间可以是约5、10、15或20分钟。使用前一个实例，如果超声嵌入槽208中的织物202的长度在任一时间为约60cm，则织物通过浴槽的速度可以为约6厘米/分钟。在离开超声槽208时，压力绞拧机220将多余的浆料从织物202中挤出。
101.在步骤1008中，然后在干燥和热粘合烘箱210中干燥织物202并热粘合si3n4颗粒。热粘合烘箱210可以用织物的入口209和出口211以及加热元件219完全封闭。热粘合可以通过将织物202连续进料到烘箱中以干燥织物，并且然后使其通过同时向织物施加热量和压力(即，压延，如图21所示)的一系列表面光滑的反向旋转辊217来完成热粘合。烘箱210可以在90℃≤t≤100℃下操作，并且压延辊217可以在140℃≤t≤145℃下以施加的压力≥500psi(≥35dan/cm)操作。可替代地，织物可以直接通过预加热的压延辊，而无需进入干燥烘箱(未示出)。
102.在步骤1010中，在具有水和表面活性剂的超声冲洗槽212中冲洗织物202以去除未嵌入在织物中的多余的氮化硅颗粒。在一些实施例中，洗涤和冲洗可以作为两个单独的步骤进行。在一个实施例中，洗涤和冲洗可以组合在一个步骤中。先前的热粘合操作可以使非嵌入颗粒的量最小化。此步骤可以在类似于用于预处理和嵌入步骤的连续超声浴中进行。超声冲洗槽212可以包含单独的较大混合槽和再循环系统(未示出)，与其它超声槽一样，具有泵。在再循环系统内，可以利用可更换的筒式亚微米过滤器来保留从织物中释放的颗粒。冲洗液的组合物可以包含表面活性剂和水。在一些实例中，表面活性剂可以是triton x-100。超声换能器218可以定位于槽的外部底部。类似于之前的超声步骤，冲洗步骤1010可以在≥1000w 25khz超声能量的功率水平、至多2000w的热能和在60℃≤t≤70℃的温度下进行，其中织物在超声槽内的驻留时间为约5、10、15或20分钟。在冲洗之后，织物202可以通过绞拧机220以去除多余的水。
103.在步骤1012中，在干燥烘箱214中干燥经冲洗的织物202。热粘合烘箱214可以用织物的入口213和出口215以及加热元件219完全封闭。在一些实施例中，织物202稀松布可以被进料到在约110℃下操作的连续干燥烘箱214中持续约5、10、15或20分钟的驻留时间。随后可以将织物202卷到卷绕辊203上。
104.与每个步骤相关的槽和/或烘箱可以可操作地连接，使得单个卷织物202辊可以在整个过程中穿过每个槽和/或烘箱。织物202可以作为连续辊提供。例如，织物202可以从源辊201开始，当它通过各种槽和烘箱时展开，并且在卷绕辊203结束。在至少一个实例中，织物可以是非织造聚丙烯纺粘织物(即稀松布，约45g/m2)。聚丙烯本质上是疏水的(即，不润湿的)。织物可以作为大约280mm宽
×
约1公里长的连续辊来收纳。
105.并入ppe、面罩主体、过滤器、罐、筒等中的氮化硅可以以约1wt.％至约30wt.％的浓度存在。在各个实例中，纤维材料可以包含嵌入在所述纤维材料中的至多约1wt.％、至多约2wt.％、至多约5wt.％、至多约7.5wt.％、至多约10wt.％、至多约15wt.％、至多约20wt.％、至多约25wt.％或至多约30wt.％氮化硅粉末。在至少一个实例中，纤维材料中的氮化硅在整个纤维材料中以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在。在另一个实例中，所述纤维材料中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。在各个实例中，面罩或面罩的一个或多个过滤器可以包含至多约1wt.％、至多约2wt.％、至多约5wt.％、至多约7.5wt.％、至多约10wt.％、至多约15wt.％、至多约20wt.％、至多约25wt.％或至多约30wt.％氮化硅粉末。在至少一个实例中，纤维材料中的氮化硅在面罩中的一个或多个过滤器的至少一部分中以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在。在另一个实例中，所述一个或多个过滤器中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。在一些实例中，氮化硅可以以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在于附接到面罩的罐或筒中，遍及罐或筒的至少一部分。在另一个实例中，所述罐或筒中
的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。
106.在一些实施例中，可以将有机酸进一步并入到纤维材料或口罩的层中。酸可以选自由以下组成的组：柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、草酸、苯甲酸、异柠檬酸、乙酸、乳酸、抗坏血酸(例如，水果和蔬菜中常见的酸)和其组合。在一实施例中，酸可以与氮化硅粉末杂乱地混合，并且以浓度在氮化硅粉末的0.5wt.％至5.0wt.％的范围内、并且优选地在1.5至3.0wt.％的范围内并且最优选地以约2.0wt.％嵌入在口罩中。
107.包含这些有机酸中的一者或其组合以及其与氮化硅的复杂混合物酸化了局部环境，并且由此使氮化硅活化以释放氨(nh3)。不受理论的束缚，在面罩佩戴者的正常呼吸期间，水分在呼出和吸入期间通过面罩。水分使有机酸部分地溶解。它解离成碱和水合氢离子。使用乙酸作为实例，反应为：所述反应降低了局部ph，由此在紧接氮化硅颗粒附近产生酸化环境。同时，在存在水分的情况下，氮化硅表面处会发生化学反应，释放氨和铵，如下所示：处会发生化学反应，释放氨和铵，如下所示：处于平衡状态的铵和氨的浓度随ph而变化。随着ph的增加，从氮化硅中洗脱的铵量减少。虽然对应的洗脱氨的量增加，但其浓度比铵低一个数量级。根据勒夏特列原理(le chatelier's principle)，铵的释放趋于使局部ph升高，由此减缓氮化硅与水的反应。添加有机酸抵消了这种影响。它会驱使ph降低，并且与一些释放的铵反应。使用乙酸作为实例：反应产物消耗铵并释放水，这进而加速与氮化硅的反应。因此，将有机酸添加到局部环境中会降低铵的浓度，并且通过这样做，氮化硅与水的反应趋于增加。然后释放出更多的铵，这也符合勒夏特列原理。这有效地使氮化硅活化。它与越来越多的水反应以形成越来越多的氨和铵。这些部分的释放是氮化硅的抗病原有效性背后的基本机制。另外，这些有机酸(例如，柠檬酸)本身可能表现出抗病原能力，不管上述与氮化硅的反应如何，但主要目的是如前所述使氮化硅活化。最后，由于其低浓度和可食用形式，使用温和的有机酸不会对口罩佩戴者产生任何生物相容性或健康危害。
108.在一些实施例中，具有氮化硅的层可以将与抗病毒面罩的层接触的病毒灭活。例如，含有病毒的液滴或气溶胶被口罩纤维捕获，并且氮化硅粉末使所述病毒失活。可以被灭活或防止通过面罩传播的病毒的非限制性实例包含冠状病毒、sars-cov-2、甲型流感、乙型流感、肠道病毒和猫杯状病毒。病毒可以与氮化硅粉末接触持续至少30秒、至少1分钟、至少2分钟、至少3分钟、至少4分钟、至少5分钟、至少30分钟、至少1小时或至少2小时才能被灭活。
109.在其它实施例中，可以将氮化硅粉末掺入包含但不限于浆料、悬浮液、凝胶、喷雾剂、油漆或牙膏的组合物中。例如，将氮化硅添加到浆料(如油漆)中，然后将其施加到表面，可以提供抗菌、抗真菌和抗病毒表面。在其它实施例中，可以将氮化硅与水连同任何合适的分散剂和浆料稳定剂一起混合并且然后通过将浆料喷涂到各种表面上来应用。
110.在实例中，抗病原组合物可以是氮化硅粉末和水的浆料。氮化硅粉末可以以约0.1vol.％到约20vol.％的浓度存在于浆料中。在各种实施例中，浆料可以包含约0.1vol.％、0.5vol.％、1vol.％、1.5vol.％、2vol.％、5vol.％、10vol.％、15vol.％或20vol.％氮化硅。
111.本文进一步提供了一种通过使病毒、细菌和/或真菌与包括氮化硅的抗病原组合
物接触来将病原体灭活的方法。在实施例中，所述方法可以包含用氮化硅来涂覆装置或设备并且使涂覆的设备与病毒、细菌或真菌接触。涂覆设备可以包含将氮化硅粉末施加到设备的表面。在其它实施例中，可以将氮化硅粉末并入或浸渍在装置或设备内。
112.不受特定理论的限制，抗病原组合物可以通过碱性酯基转移来减小病毒作用并且降低血凝素的活性。令人惊讶地发现，氮化硅粉末(i)通过破坏rna核苷酸间键借助于碱性酯基转移来显著地减少病毒作用并且(ii)明显降低了血凝素的活性，因此通过使病毒表面上的蛋白质结构变性破坏了宿主细胞识别，从而导致病毒灭活，而不管是否存在病毒包膜。
113.在实施例中，抗病原组合物可以展现出示出以下的洗脱动力学：(i)缓慢但连续地从固态而不是从通常的气态洗脱氨；(ii)对细胞没有伤害或负面影响；以及(iii)智能地随着ph的降低，洗脱增加。此外，氮化硅的无机性可能比使用已知在土壤、植物和蔬菜或果实中伤害哺乳动物细胞或具有残留效应的石油化学或有机金属杀菌剂、杀病毒剂和杀真菌剂更有益。
114.令人惊讶地发现，氮化硅颗粒可以被电吸引并且附接到病原体的包膜或膜上的刺突蛋白。
115.本文还提供了一种在人类患者的某个位置处对病原体进行裂解或灭活的方法。例如，病原体可以是病毒、细菌或真菌。所述方法可以包含使患者与包括氮化硅的设备、装置或组合物接触。不受任何一种理论的限制，氮化硅使病原体灭活。设备、装置或组合物可以包含约1wt.％到约100wt.％氮化硅。在一些实例中，装置或设备可以在装置或设备的表面上包含约1wt.％到约100wt.％氮化硅。在实施例中，装置或设备可以是整体式氮化硅陶瓷。在另一个实施例中，装置或设备可以包含氮化硅涂层，如氮化硅粉末涂层。在另一个实施例中，装置或设备可以将氮化硅并入装置的主体中。例如，可以使用本领域已知的方法将氮化硅粉末并入或浸渍到装置或设备的主体中。
116.在一些实施例中，装置或设备可以与患者或用户接触至少1分钟、至少5分钟、至少30分钟、至少1小时、至少2小时、至少5小时或至少1天。在至少一个实例中，装置或设备可以永久地植入患者体内。在至少一个实例中，装置或设备可以由用户在外部佩戴。
117.实例
118.实例1：氮化硅浓度对病毒灭活的影响
119.为了示出氮化硅浓度对病毒的灭活的影响，将甲型流感暴露于各种浓度的si3n4粉末。为了制备氮化硅，将一定重量的氮化硅粉末与纯蒸馏水混合。例如，将7.5g氮化硅分散在92.5g纯蒸馏水中。分别以1:1、1:10和1:100病毒/混合物的浓度将病毒添加到此混合物中。然后将这些混合物在4℃下在温和搅拌下温育10分钟。将甲型流感在4℃下暴露于0wt.％、7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟，如图2a所展示的。然后将混合物过滤以取出氮化硅粉末。
120.然后针对si3n4在灭活甲型流感方面的有效性对接种甲型流感病毒的马丁-达比狗肾(madin-darby canine kidney)(mdck)细胞进行观察。然后将剩余的混合物接种到生物源培养基内含有活mdck细胞的petri培养皿中。随后在暴露3天后使用染方法对活mdck细胞的数量进行计数。根据图2b，用暴露于si3n4的甲型流感病毒接种mdck细胞3天后，测定细胞的活力。
121.图4a是暴露于0wt.％、7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟的甲型流感的
pfu/100μl的图。图4b是用暴露于7.5wt.％、15wt.％和30wt.％si3n
4 10分钟的甲型流感接种的细胞的细胞存活率的图。
122.实例2：暴露时间和温度对病毒灭活的影响
123.为了示出氮化硅对病毒的灭活的影响，在各种时间和温度下将甲型流感暴露于固定浓度的si3n4粉末(15wt.％)。然后将混合物在室温下和4℃下在温和搅拌下温育1至30分钟。例如，将甲型流感在室温下或4℃下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟，如图3a所展示的。然后针对si3n4在灭活甲型流感方面的有效性对接种甲型流感病毒的马丁-达比狗肾(mdck)细胞进行观察。根据图3b，用暴露于si3n4的甲型流感病毒接种mdck细胞3天后，测定细胞的活力。
124.图7a是在室温下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感的pfu/100μl的图。图7b是用在室温下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感接种的mdck细胞的细胞存活率的图。
125.图8a是在4℃下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感的pfu/100μl的图。图8b是用在4℃下暴露于15wt.％si3n
4 1分钟、5分钟、10分钟或30分钟的甲型流感接种的mdck细胞存活率的图。
126.实例3：氮化硅对h1h1甲型流感灭活的影响
127.为了示出氮化硅对病毒的灭活的影响，将甲型流感暴露于15wt.％氮化硅的浆料10分钟。
128.图15a-15c示出了h1h1甲型流感病毒(a/波多黎各/8/1934h1n1(pr8))在接种到在丝状肌动蛋白(f-肌动蛋白)存在的情况下被染成绿的含有mdck细胞的生物源培养基中后被染成红(核蛋白，np)，所述丝状肌动蛋白存在于所有真核细胞中。图16a-16c示出了在不存在氮化硅的情况下病毒对mdck细胞的影响。
129.实例4：对氮化硅对mdck细胞中的甲型流感病毒杀病毒活性的评估
130.此研究被设计成在30分钟的温育时间点和15wt.％/vol的浓度下检查β-氮化硅(β-si3n4)粉末对甲型流感病毒的抗病毒能力。在1.5ml的在不具有任何添加剂的dmem中稀释的病毒中制备15wt.％悬浮液。
131.利用蚀斑测定方法。为了充分定量蚀斑测定，马丁达比犬肾细胞(mdck)的活力作为暴露于不同浓度的si3n4持续范围为30分钟至72小时的温育时段的函数被评估。结果证明，在预先选择的条件下，si3n4对甲型流感病毒是完全杀病毒的，其中病毒载量减少了》99.98％。发现mdck细胞的活力是时间和剂量依赖性的。对于至多15wt.％/vol的si3n4浓度，基本上没有观察到活力损失。仅注意到15wt.％浓度在24、48和72小时(即分别为83.3％、59.7％和44.0％活力)的活力变化。
132.此研究中使用的si3n4粉末的标称组成为90wt.％α-si3n4,6wt.％氧化钇(y2o3)和4wt.％氧化铝(al2o3)。它是通过无机成分的水混合和喷雾干燥，然后烧结喷雾干燥的颗粒(约1700℃持续约3小时)、热等静压(在n2中约1600℃，2小时，140mpa)、水基粉碎和冷冻干燥来制备的。所得粉末呈三峰分布，其平均粒度为0.8
±
1.0μm，如图17所示。用y2o3和al2o3掺杂si3n4有助于使陶瓷致密化并且在烧结器件将其从α相转变为β相。致密化的机制是通过α相的溶解和随后的β相晶粒的沉淀进行的，由在冷却器件凝固的瞬态晶间液体的形成促进。因此，β-si3n4是由约10wt.％晶间玻璃相(igp)和90wt.％结晶β-si3n4晶粒构成的复合
材料。
133.在此研究中进行了三个连续测定：(1)mdck活力测试；(2)甲型流感上清液滴定测试，具有和不具有离心和过滤；(3)使用15wt.％/vol si3n4作为病毒抑制剂进行病毒滴定，潜伏期为30分钟。
134.在图18中，示出了mdck细胞的活力作为β-si3n4浓度(wt.％/ml)的函数。从15wt.％开始，进行连续稀释以达到0.047wt.％。在较低浓度下，直至72小时的所有时间点，细胞活力通常》80％。还应注意，对于除15wt.％以外的所有浓度，细胞活力通常会随着暴露时间而增加。在15wt.％和30分钟的暴露下，细胞活力为约94.5％。
135.在确定mdck细胞活力后，在将病毒和样品添加到细胞之前二十四小时，将mdck细胞在6孔板中以1
×
106个细胞/孔的密度铺板在体积为2ml的补充有10％胎牛血清(fbs)的杜氏最低必需培养基(dmem)中。在测定当天，将含15wt.％氮化硅的以1
×
104pfu/ml稀释在不含添加剂的dmem中的病毒的一式三份样品在室温下振荡温育30分钟。温育后，将样品在4℃和12,000rpm下离心持续两分钟，并通过0.2微米聚偏二氟乙烯(pvdf)过滤器进一步过滤。然后将样品按1:5连续稀释，并一式三份以400μl的体积将7种浓度添加到已用杜氏磷酸盐缓冲盐水(dpbs)洗涤2次的细胞中。样品在37℃下温育1小时，其中每15至20分钟摇动一次。温育后，将2ml蚀斑测定培养基添加到孔中，并且将培养物在35℃/5％ co2下温育48小时。在温育之后，将细胞用结晶紫染并目测计数蚀斑。
136.在染当天，去除困扰培养基，用dpbs洗涤单层细胞两次。然后将细胞在室温下用70％乙醇固定10分钟。去除乙醇，并且将0.3％结晶紫溶液添加到每个孔中，在室温下持续10分钟。在温育后，去除结晶紫，并且用dpbs洗涤单层两次以去除残留的结晶紫。在对蚀斑计数之前将单层风干过夜。
137.杀病毒测试以15wt.％/vol的浓度和以30分钟进行。离心和过滤的工艺步骤仅将病毒载量减少了约0.25log
10
。鉴于此结果，然后在不将和将病毒暴露于si3n4持续30分钟的情况下进行后续滴定。基于iso 21702(对塑料和其它无孔表面的抗病毒活性测量)，不使用si3n4的滴定浓度先验选择为4.4
×
103pfu/ml。在暴露于si3n4持续30分钟后，mdck细胞上没有形成蚀斑。si3n4被认为是100％有效灭活甲型流感病毒。在图19中提供了对在暴露于si3n4粉末持续30分钟之前和之后的病毒滴度的直接比较。数据清楚地证明暴露于si3n4之后的病毒载量减少》3.5log
10
(即，》99.98％)。
138.总之，这些测试证明，在浓度低于15wt.％/vol或时间≤30分钟时，将si3n4暴露于mdck细胞没有不利的活力影响。在15wt.％/vol si3n4的抗病毒测试条件下，在4.4
×
103pfu/ml的病毒载量下暴露30分钟，si3n4将100％暴露的病毒粒子基本上灭活。在这些条件下，发现si3n4对甲型流感病毒是杀病毒的。
139.实例5：α-si3n4粉末对mdck细胞和甲型流感的影响
140.在暴露30分钟、24小时、48小时和72小时后，首先评估了α-si3n4粉末对mdck细胞的毒性。在补充有2％胎牛血清(fbs)的1.5ml杜氏改良伊格尔氏培养(dmem)中制备15重量％(wt.％)的悬浮液。
141.在将样品添加到细胞中之前二十四小时，将如上文所描述制备的α-si3n4粉末悬浮液在室温下通过振荡温育30分钟。温育后，将悬浮液在4℃下以12,000rpm离心持续两分钟。上清液进一步通过0.2微米聚偏二氟乙烯(pvdf)过滤器过滤，并且然后以1/2对数增量连续
稀释。一式三份以200μl的体积将六(6)种浓度添加到预铺板的细胞中。将板温育30分钟、24、48和72小时，此时使用四唑染料xtt(2,3-双(2-甲氧基-4-硝基-5-磺基苯基)-5-[(苯基氨基)羰基]-2h-四唑氢氧化物)评估细胞的细胞毒性，如下文所描述。
[0142]
测试材料的tc50值是通过测量四唑染料xtt的还原度得出的。代谢活性细胞中的xtt由线粒体酶nadph氧化酶代谢为可溶性甲腊产物。在不含添加剂的dmem中每天将xtt溶液制备为1mg/ml的储备液。在杜氏磷酸盐缓冲盐水(dpbs)中以0.15mg/ml的浓度制备吩嗪硫酸甲酯(pms)溶液，并且在-20℃下在黑暗中储存。xtt/pms储备液在使用前立即制备，每ml的xtt溶液添加40μl的pms。将五十μl(50 4)的xtt/pms添加到板的每个孔中，并且将板在37℃下温育4小时。经验确定4小时问温育在xtt染料还原的线性响应范围内，其中每次测定的细胞数均指定。将板密封并倒置数次以混合可溶性甲腊产物，并使用分子装置spectramax plus 384 96孔板式分光光度计在450nm(650nm参考波长)处读取板。
[0143]
mdck细胞用范围在15wt.％至0.047wt.％的6种浓度的α-si3n4粉末处理持续30分钟、24小时、48小时和72小时。在图20中，示出了mdck细胞的活力作为α-si3n4浓度(wt.％/ml)的函数。暴露30分钟后，用所有浓度处理的细胞的活力均大于90％，但用4.7wt.％和15wt.％处理的细胞分别具有89％和83％活力。在24小时用每种浓度处理的细胞活力仍然高于92％。在用1.5wt.％、4.7wt.％和15wt.％处理的细胞中，48小时时的活力下降到90％以下(分别为89.1％、88.7％和74.0％)，但在72小时时只有用15wt.％处理的细胞的活力低于90％(87.5％)。
[0144]
然后评估15wt.％的α-si3n4粉末在mdck细胞中对甲型流感病毒毒株a/pr/8/34的杀病毒活性。在1.5ml的在不具有任何添加剂的dmem中稀释的病毒中制备15wt.％悬浮液。
[0145]
在将病毒和样品添加到细胞之前二十四小时，将mdck细胞在6孔板中以1
×
106个细胞/孔的密度铺板在体积为2ml的补充有10％胎牛血清(fbs)的杜氏最低必需培养基(dmem)中。在测定当天，将含15wt.％的α-si3n4的以1
×
104pfu/ml稀释在不含添加剂的dmem中的病毒的一式三份样品在室温下振荡温育30分钟。温育后，将样品在4℃和12,000rpm下离心持续两分钟，并通过0.2微米聚偏二氟乙烯(pvdf)过滤器进一步过滤。然后将样品按1:5连续稀释，并一式三份以400ml的体积将7种浓度添加到已用杜氏磷酸盐缓冲盐水(dpbs)洗涤2次的细胞中。样品在37℃下温育1小时，其中每15至20分钟摇动一次。温育后，将2ml蚀斑测定培养基添加到孔中，并且将培养物在35℃/5％ co2下温育48小时。在温育之后，将细胞用结晶紫染并目测计数蚀斑。
[0146]
在染当天，去除成斑培养基，用dpbs洗涤单层细胞两次。然后将细胞在室温下用70％乙醇固定10分钟。去除乙醇，并且将0.3％结晶紫溶液添加到每个孔中，在室温下持续10分钟。在温育后，去除结晶紫，并且用dpbs洗涤单层两次以去除残留的结晶紫。在对蚀斑计数之前将单层风干过夜。
[0147]
评估了15wt.％α-si3n4粉末在mdck细胞中对甲型流感病毒毒株a/pr8/34的杀病毒活性。目标病毒滴度为1
×
104pfu/ml，并且实际单独复制品为3.1
×
103、3.8
×
103和4.7
×
103pfu/ml，产生的平均滴度(和标准偏差)为3.9
×
103±
0.8
×
103pfu/ml。此实际滴度在目标pfu/ml的两倍以内。经α-si3n4粉末处理的样品具有一个带有单个蚀斑的孔，导致pfu/ml为4.1。
[0148]
对数减少为2.98，并且使用以下等式计算：log
10
(a/b)，其中a是未经处理的病毒，
并且b是经处理的病毒。百分比减少为99.89％，并且使用以下等式计算：(a-b)x 100/a，其中a是未经处理的病毒，并且b是经处理的病毒。图21提供了在暴露于α-si3n4粉末30分钟之前和之后的病毒滴度的比较。因此，15wt.％的α-si3n4粉末在暴露30分钟后对甲型流感病毒毒株a/pr/8/34具有杀病毒性。
[0149]
实例6：两种形式的si3n4粉末在mdck细胞中对甲型流感病毒的杀病毒活性
[0150]
在1.5ml的在不含任何添加剂的dmem中稀释的病毒中制备5和10wt.％的α-si3n4和β-si3n4粉末悬浮液。
[0151]
在将病毒和样品添加到细胞之前二十四小时，将mdck细胞在6孔板中以1
×
106个细胞/孔的密度铺板在体积为2ml的补充有10％胎牛血清(fbs)的杜氏最低必需培养基(dmem)中。在测定当天，将含10和5wt.％的α-si3n4和β-si3n4粉末的以1
×
104pfu/ml稀释在不含添加剂的dmem中的病毒的一式三份样品在室温下振荡温育30分钟。温育后，将样品在4℃和12,000rpm下离心持续两分钟，并通过0.2微米聚偏二氟乙烯(pvdf)过滤器进一步过滤。然后将样品按1:5连续稀释，并一式三份以400μl的体积将7种浓度添加到已用杜氏磷酸盐缓冲盐水(dpbs)洗涤2次的细胞中。样品在37℃下温育1小时，其中每15至20分钟摇动一次。温育后，将2ml蚀斑测定培养基添加到孔中，并且将培养物在35℃/5％ co2下温育48小时。在温育之后，将细胞用结晶紫染并目测计数蚀斑。
[0152]
在染当天，去除困扰培养基，用dpbs洗涤单层细胞两次。然后将细胞在室温下用70％乙醇固定10分钟。去除乙醇，并且将0.3％结晶紫溶液添加到每个孔中，在室温下持续10分钟。在温育后，去除结晶紫，并且用dpbs洗涤单层两次以去除残留的结晶紫。在对蚀斑计数之前将单层风干过夜。
[0153]
评估了5和10wt.％的α-si3n4和β-si3n4粉末在mdck细胞中对甲型流感病毒毒株aipr8/34的杀病毒活性。这是在四个单独的实验中进行的。目标病毒滴度为1
×
104pfu/ml。
[0154]
在第一个实验中，未经处理的病毒样品的单独重复为5.3
×
103、5.9
×
103和4.1
×
103pfu/ml，产生的平均滴度(和标准偏差)为5.1
×
103±
0.9
×
103pfu/ml。用5wt.％和10wt.％的β-si3n4处理10分钟的病毒导致用10wt.％处理的病毒的pfu/ml《21和并且用5wt.％处理的病毒的pfu/ml为21(形成1个蚀斑)。在此样品中，对数减少为2.4，并使用以下等式计算：log10(nb)，其中a是未处理的病毒，并且b是经处理的病毒。百分比减少为99.5％，并且使用以下等式计算：(a-b)x 100/a，其中a是未经处理的病毒，并且b是经处理的病毒。
[0155]
在第二个实验中，未经处理的病毒样品的单独重复为7.5
×
103、7.2
×
103和5.0
×
103pfu/ml，产生的平均滴度(和标准偏差)为6.6
×
103±
1.4
×
103pfu/ml。用5wt.％和10wt.％的β-si3n4处理5分钟的病毒产生的两者的pfu/ml均《21。
[0156]
在第三个实验中，单独重复为6.9
×
103、7.8
×
103和5.0
×
103pfu/ml，产生的平均滴度(和标准偏差)为6.6
×
103±
1.4
×
103pfu/ml。用5wt.％和10wt.％的α-si3n4处理10分钟的病毒产生的两者的pfu/ml均《21。
[0157]
在第四个实验中，单独重复为8.8
×
103、1.0
×
104和7.5
×
103pfu/ml，产生的平均滴度(和标准偏差)为8.8
×
103±
1.3
×
103pfu/ml。用5wt.％和10wt.％的α-si3n4处理5分钟的病毒产生的两者的pfu/ml均《21。
[0158]
在每个实验中，为未经处理的病毒对照确定的实际滴度在目标pfu/ml的两倍以
内。用5和10wt.％的α-si3n4和β-si3n4粉末两者处理病毒持续5分钟和10分钟导致pfu/ml《1(未观察到蚀斑)，但经β-si3n4粉末处理的样品以5wt.％持续10分钟除外，所述样品具有一个带有单个蚀斑的孔，导致pfu/ml为21。
[0159]
实例7：sars-cov-2的氮化硅体外灭活
[0160]
通过水混合和喷雾干燥无机成分来制备标称成分为90wt.％α-si3n4、6wt.％氧化钇(y2o3)和4wt.％氧化铝(al2o3)的掺杂si3n4粉末(β-siyalon)，然后烧结喷雾干燥颗粒(约1700℃，约3小时)，热等静压(在n2中约1600℃，2小时，140mpa)，水基粉碎和冷冻干燥。所得粉末呈三峰分布，其平均粒度为0.8
±
1.0μm，如图22所示。用y2o3和al2o3掺杂si3n4使陶瓷致密化并且在烧结器件将其从α相转变为β相。致密化的机制是通过α相的溶解和随后的β相晶粒的沉淀进行的，由在冷却器件凝固的瞬态晶间液体的形成促进。因此，β-si3n4是由约10wt.％晶间玻璃相(igp)和90wt.％结晶β-si3n4晶粒构成的复合材料。
[0161]
选择vero绿非洲猴肾上皮细胞进行此分析是因为它们能够支持高水平的sars-cov-2复制以及它们在抗病毒测试中的用途。将这些细胞在补充有10％ fbs、1％ l-谷氨酰胺和1％青霉素/链霉素的dmem中培养。细胞维持在37℃和5％ co2下。sars-cov-2分离物usa-wa1/2020从bei resources公司获得。用sars-cov-2(moi 0.1)接种vero细胞以产生病毒储备液。在感染后72小时收集无细胞上清液，并且通过10,000rpm离心10分钟进行澄清，并通过0.2μm过滤器过滤。根据下文详述的蚀斑测定方案对储备液病毒进行滴定。
[0162]
将si3n4粉末悬浮在微量离心管中的1ml dmem生长培养基中。将试管涡旋30秒以确保充分接触，并且然后将试管放置于试管旋转混匀器上，持续1分钟、5分钟或10分钟。在每个时间点，将样品离心，并且将上清液收集并通过0.2μm过滤器过滤。将澄清的上清液添加到细胞中持续24或48小时。未经处理的细胞作为对照维持在旁边。使用测量atp产生的celltiter glo在每个时间点测试细胞以确定细胞活力。
[0163]
sars-cov-2在dmem生长培养基中稀释至2
×
104pfu/ml的浓度。将四ml稀释的病毒添加到含有20、15、10和5％(w/v)氮化硅的试管中。平行处理不含si3n4的病毒作为对照。将试管涡旋30秒以确保充分接触，并且然后将试管放置于试管旋转混匀器上，持续1分钟、5分钟或10分钟，而将仅病毒对照温育最多10分钟。在每个时间点，将样品离心，并且将上清液收集并通过0.2μm过滤器过滤。通过蚀斑测定对澄清的上清液中剩余的感染性病毒进行定量。图23提供了抗病毒测试方法的概述。在步骤1中，将sars-cov-2病毒在培养基中稀释。在步骤2中，将4ml经稀释的病毒添加到含有20％、15％、10％或5％(w/v)氮化硅的试管中。在步骤3中，将试管涡旋30秒以确保充分接触，并且然后将试管放置于试管旋转混匀器上，持续1分钟、5分钟或10分钟(将仅病毒对照温育最多10分钟)。在步骤4中，在每个时间点，将样品离心，并且将上清液收集并通过0.2μm过滤器过滤。在步骤5中，将澄清的上清液用于进行蚀斑测定。将样品连续稀释(10倍)并添加到新鲜vero中温育1小时，每15分钟摇晃一次，然后添加琼脂糖培养基覆盖层并温育48小时。温育48小时后，将细胞用10％ fa固定并用结晶紫染以进行计数。
[0164]
在蚀斑测定前一天，将vero细胞以2
×
105个细胞/孔接种在12孔板中。将来自抗病毒测试的澄清上清液连续稀释(10倍)，并且将200μl添加到vero细胞中，在37℃、5％co2下温育1小时。每15分钟摇动一次板以确保充分覆盖，并在1小时时以1:1的比率将0.6％琼脂糖以及补充有5％ fbs、2％青霉素/链霉素、1％非必需氨基酸(vwr，目录号45000-700)、1％
a88分散剂和790.0g去离子水。
[0173]
第二步骤涉及将si3n4分散体(即，浆料)虹吸到手持式hte兼容喷中，并且在约30psi(2.1bar，210kpa)的压力和约0.45ml/cm2的施用率下在约0.5米的距离处手动将其均匀地施用到经预处理的织物的一侧。在风干约10分钟之后，然后以相同方式涂覆稀松布的相对侧。然后第二次重复喷涂过程(即，每侧两次施用)。第三步骤涉及在65℃≤t≤75℃的温度和约60w和20khz的功率设置下，将经涂覆的稀松布浸没在branson实验室超声浴中的残留si3n4浆料中持续10分钟。之后，将织物放入绞拧机以去除多余的浆料，并且然后平放在约110℃的干燥烘箱中持续约10分钟。
[0174]
热粘合
[0175]
si3n4颗粒与稀松布的粘合是通过在145℃的烘箱内将单张织物放在两个精密的重型不锈钢板之间持续90分钟来实现的。所述过程在织物上产生了约0.1psi(约0.7kpa)的压力。这种压力对于强制将si3n4颗粒嵌入在聚丙烯纤维中至关重要。然后将含有织物的板从烘箱中取出并使其冷却至室温。
[0176]
洗涤和冲洗
[0177]
冲洗是重要步骤。冲洗从织物上去除了未粘合的si3n4颗粒。这是通过两步操作完成的。第一步骤涉及在以约60w和20khz的功率设置操作的branson实验室超声浴中使用非离子表面活性剂在去离子水中清洗嵌入的稀松布。此洗涤步骤的组成如下(基于1升批量大小)：10.0g triton x-100表面活性剂和990.0g去离子水。
[0178]
在制备洗涤浴之后，将织物浸没在水中并在60℃≤t≤70℃下超声处理五分钟。然后将稀松布拉过绞拧机以去除多余的液体。第二步骤涉及在干净的去离子水中冲洗稀松布。这也是在温度为60℃≤t≤70℃，功率设置为约60w和20khz的超声浴中持续五分钟完成的。经常进行重复冲洗循环，直到冲洗水清澈为止。
[0179]
干燥
[0180]
通过将清洁和冲洗过的织物简单地平放在干燥箱架上，在约110℃下持续大约10分钟来使其干燥。
[0181]
虽然已经描述了若干个实施例，但本领域的技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改、替代性构造和等同物。另外，为了避免不必要地模糊本发明，没有描述许多公知的过程和元件。因此，以上描述不应被视为限制本发明的范围。
[0182]
本领域的技术人员将理解，目前公开的实施例通过举例而非限制的方式进行教导。因此，以上描述中包含的或附图中示出的内容应当被解释为说明性的而不应在限制性意义上进行解释。以下权利要求旨在涵盖本文所描述的所有一般特征和特定特征以及在语言上可以被说成落入其间的对本发明方法和系统的范围的所有陈述。

技术特征：

1.一种抗病毒面罩，其包括：面罩主体，所述面罩主体包括：纤维材料层，所述纤维材料层包括嵌入在纤维材料中的氮化硅粉末，其中氮化硅以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在于内表面中；并且其中所述氮化硅将与所述面罩主体的所述层接触的病毒灭活。2.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其进一步包括围绕所述纤维材料的第二材料层。3.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中所述纤维材料包括纺粘无纺布。4.根据权利要求3所述的抗病毒面罩，其中所述纺粘无纺布包括聚丙烯。5.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中含有所述病毒的液滴或气溶胶被所述纤维材料中的纤维捕获，由此使所述病毒与嵌入在所述纤维材料中的所述氮化硅接触，并且所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。6.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中所述病毒与所述氮化硅粉末接触至少1分钟的持续时间。7.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中所述纤维材料层中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。8.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中所述病毒是sars-cov-2。9.一种抗病毒面罩，其包括：面罩主体；以及所述面罩主体中的一个或多个过滤器，所述一个或多个过滤器中的每个过滤器包括：纤维材料层，所述纤维材料层包括浸渍在所述纤维材料层中的氮化硅粉末，其中氮化硅以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在；其中所述氮化硅将与所述抗病毒面罩的所述一个或多个过滤器接触的病毒灭活。10.根据权利要求9所述的抗病毒面罩，其中所述纤维材料包括纺粘无纺布。11.根据权利要求10所述的抗病毒面罩，其中所述纺粘无纺布包括聚丙烯。12.根据权利要求9所述的抗病毒面罩，其中含有所述病毒的液滴或气溶胶被所述纤维材料捕获，由此使所述病毒与嵌入在所述纤维材料中的所述氮化硅接触，并且所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。13.根据权利要求9所述的抗病毒面罩，其中所述病毒与所述氮化硅粉末接触至少1分钟的持续时间。14.根据权利要求9所述的抗病毒面罩，其中每个过滤器中的所述氮化硅以小于约10wt.％的浓度存在。15.根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中所述病毒是sars-cov-2。16.一种预防病毒的传播的方法，所述方法包括：向佩戴者提供根据权利要求1所述的抗病毒面罩，其中当所述病毒接触所述面罩的所述纤维材料时，所述氮化硅粉末将所述病毒灭活。17.一种将氮化硅粉末嵌入在纤维材料中的方法，所述方法包括：在至少一个预处理槽中预处理所述纤维材料；在超声槽中使用超声处理将氮化硅颗粒嵌入在所述纤维材料中；在干燥和热粘合烘箱中干燥所述纤维材料并热粘合所述氮化硅颗粒；
在超声冲洗槽中冲洗所述纤维材料以去除多余的氮化硅颗粒；以及在干燥烘箱中干燥经冲洗的纤维材料。18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个预处理槽包括超声换能器阵列并且含有水和/或偶联剂。19.根据权利要求17所述的方法，其中所述超声槽包括超声换能器阵列并且含有水、分散剂和氮化硅颗粒。20.根据权利要求17所述的方法，其中所述超声冲洗槽包括超声换能器阵列并且含有水和表面活性剂。

技术总结

本文描述了一种抗病毒面罩和所述抗病毒面罩用于将与所述面罩接触的病毒灭活的方法。所述面罩可以包含：纤维材料，所述纤维材料中浸渍有氮化硅粉末；以及围绕所述纤维材料的层。在一些实施例中，氮化硅以约1wt.％至约15wt.％的浓度存在于所述纤维材料中。15wt.％的浓度存在于所述纤维材料中。15wt.％的浓度存在于所述纤维材料中。