CN111588111A - 一种高强度脉冲电场医用防护口罩 - Google Patents

一种高强度脉冲电场医用防护口罩 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高强度脉冲电场医用防护口罩，主要包括防护口罩和微型高强度脉冲电场发生器；所述防护口罩包括口罩主体和挂绳；所述口罩主体包括脉冲电场处理层和若干依次重叠的过滤层；所述微型高强度脉冲电场发生器向脉冲电场处理层发送脉冲，令脉冲电场处理层内部形成脉冲电场，实现脉冲电场处理层内病原体的灭活。本发明专利将高强度脉冲电场与防护口罩相结合，在常规防护口罩的基础上，增加高强度脉冲电场处理功能，人员呼吸时流通过口罩的病毒、细菌和芽孢等病原体，从而增强口罩防毒隔毒灭毒杀菌的效果，大幅降低病毒和细菌等病原体对使用者的感染率。

Description

一种高强度脉冲电场医用防护口罩
技术领域
本发明涉及病菌防护领域，具体是高强度脉冲电场医用防护口 罩。
背景技术
目前市场上使用的医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩， 还有N95、KN95等等一系列口罩种类，均为一次性的防护口罩，连 续使用时长一般在数小时以内。口罩基本的防护原理主要是靠多层 纤维性的过滤结构，将空气中的颗粒物质进行过滤阻隔，从而保护穿戴人员的生命健康。被口罩阻隔的病毒或细菌等物质，均沉积在 口罩上，并未达到灭毒杀菌的功效，因此口罩在使用数小时以后， 需要及时更换新口罩，防止病毒或细菌沉积量过多而无法起到防护 的效果。
脉冲功率技术作为一种起源于核物理工程的能量转换技术，具 有高能量、短时间、低能耗等特点，在生物医学领域也得到了广泛 的应用。脉冲电场作用于生物结构时所引起的生物医学效应得到了 国内外学者的广泛关注与深入研究，如采用高强度脉冲电场消融肿 瘤、杀灭细菌等方面。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
本发明提供一种高强度脉冲电场医用防护口罩，主要包括防护口 罩和微型高强度脉冲电场发生器。
所述防护口罩包括口罩主体和挂绳。
所述挂绳分别连接在口罩主体左、右两侧。
所述口罩主体包括脉冲电场处理层和若干依次重叠的过滤层。
所述过滤层的层数为4，由外向内依次记为第一过滤层、第二过 滤层、第三过滤层和第四过滤层。其中，第一过滤层与外环境接触， 第二层过滤层和第三层过滤层之间填充脉冲电场处理层，第四过滤层 与使用者接触。
优选的，第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层和第四过滤层依 次为无纺布层、活性炭吸附层、抑菌层和无纺布层。
优选的，第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层和第四过滤层依 次为第一纺粘纤维层、熔喷纤维层、纳米纤维层和第二纺粘纤维层。
所述口罩主体的上端设置有捏合贴条。
所述脉冲电场处理层填充在任意两层过滤层之间。
所述脉冲电场处理层包括依次重叠的柔性导电通气介质层。所述 柔性导电通气介质层的层数大于等于2。相邻2层柔性导电通气介质 层分别为用于形成脉冲电场的正负电极。每层柔性导电通气介质层均 嵌有若干柔性导电介质。同层相邻柔性导电介质彼此接触；不同层柔 性导电介质互不接触；
所述柔性导电通气介质层为聚氨酯海绵层；所述柔性导电介质包 括碳纳米管和/或银纳米线。
所述微型高强度脉冲电场发生器贴置在口罩主体上。
所述微型高强度脉冲电场发生器通过导线分别连接每层柔性导 电通气介质层的柔性导电介质，从而向脉冲电场处理层发送脉冲，令 脉冲电场处理层内部形成脉冲电场，实现脉冲电场处理层内病原体的 灭活。
所述微型高强度脉冲电场发生器包括厚度为毫米级的微型储能 电池、脉冲形成主电路和逻辑控制模块。
所述微型储能电池为脉冲形成主电路和逻辑控制模块供电。
所述逻辑控制模块调节脉冲形成主电路输出的脉冲参数。
所述脉冲形成主电路接收到微型储能电池和逻辑控制模块发送 的信号后，向脉冲电场处理层发送脉冲。
脉冲参数包括电压幅值，电流幅值、脉冲宽度和频率，其中，脉 冲电压幅值调节范围为[-100V，+100V]，脉冲电流幅值范围为[-20A， +20A]，脉冲宽度范围为[10ns，100μs]。脉冲频率范围为[0.01kHz， 100kHz]。
脉冲参数数值根据病原体灭活的理化特征特性调整。
所述脉冲电场处理层内部形成的脉冲电场强度范围为[0， 20kV/cm]。
值得说明的是，通过电极或处理腔对待处理生物施加高压短时 的电压，由此产生的高强度脉冲电场来瞬时破坏微生物的膜结构或 膜内结构，引起生物膜结构发生不可逆电穿孔或膜内结构发生分子 断裂，进而导致微生物死亡，从而达到杀菌灭毒的效果。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，为了改善传统医用防护口罩 的一次性、时效性短、过滤而无法杀菌灭毒的局限性，本发明专利 将高强度脉冲电场与防护口罩相结合，在常规防护口罩的基础上， 增加高强度脉冲电场处理功能，人员呼吸时流通过口罩的病毒、细 菌和芽孢等病原体，从而增强口罩防毒隔毒灭毒杀菌的效果，大幅 降低病毒和细菌等病原体对使用者的感染率。
附图说明
图1为高强度脉冲电场医用防护口罩结构I；
图2为高强度脉冲电场医用防护口罩结构II；
图3为病毒外衣和内部核酸囊泡穿孔区域分布；
图4为病毒外衣和内部核酸囊泡跨膜电位分布；
图5为病毒几何结构网格剖分单元；
图6为细菌几何结构网格剖分单元；
图7为病毒外衣跨膜电位分布曲线；
图8为病毒外衣穿孔密度分布曲线；
图9为病毒内部核酸囊泡电场强度分布曲线；
图10为病毒内部核酸囊泡跨膜电位分布曲线；
图11为病毒内部核酸囊泡穿孔密度分布曲线；
图12为细菌电穿孔效应仿真模型；
图13为在不同脉宽取值下，跨膜电位示意图I；
图14为在不同脉宽取值下，跨膜电位示意图II；
图15为在不同脉宽取值下，跨膜电位示意图III；
图16为在不同脉宽取值下，跨膜电位示意图IV；
图17为在不同脉宽取值下，细菌细胞膜上的孔密度分布 分布曲线；
图18为细菌外衣和内部核酸囊泡穿孔区域分布；
图19为细菌外衣和内部核酸囊泡跨膜电位分布；
图中，脉冲电场处理腔1。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本 发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思 想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换 和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
一种高强度脉冲电场医用防护口罩，主要包括防护口罩和微型高 强度脉冲电场发生器。
所述防护口罩包括口罩主体和挂绳。
所述挂绳分别连接在口罩主体左、右两侧。
参见图2，所述口罩主体包括脉冲电场处理层和若干依次重叠的 过滤层。图2中箭头表示使用者呼吸时空气流通，实心圈表示病原体， 空心圈表示灭活后的病原体，病原体包括病毒和细菌。
所述过滤层的层数为4，由外向内依次记为第一过滤层、第二过 滤层、第三过滤层和第四过滤层。其中，第一过滤层与外环境接触， 第二层过滤层和第三层过滤层之间填充脉冲电场处理层，第四过滤层 与使用者接触。
第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层和第四过滤层依次为无纺 布层、活性炭吸附层、抑菌层和无纺布层。
所述口罩主体的上端设置有捏合贴条。
所述脉冲电场处理层填充在任意两层过滤层之间。
所述脉冲电场处理层包括依次重叠的柔性导电通气介质层。所述 柔性导电通气介质层的层数大于等于2。相邻2层柔性导电通气介质 层分别为用于形成脉冲电场的正负电极，相邻两层柔性导电通气介质 层的极性相反，且2者空隙形成一个脉冲电场处理腔1。每层柔性导 电通气介质层均嵌有若干碳纳米管和/或银纳米线。同层相邻碳纳米 管和/或银纳米线彼此接触；不同层碳纳米管和/或银纳米线互不接触；
所述柔性导电通气介质层为聚氨酯海绵层；所述柔性导电介质包 括若干碳纳米管和银纳米线。
所述微型高强度脉冲电场发生器贴置在口罩主体上。
所述微型高强度脉冲电场发生器包括厚度为毫米级的微型储能 电池、脉冲形成主电路和逻辑控制模块。
所述微型高强度脉冲电场发生器通过导线分别连接每层柔性导 电通气介质层的柔性导电介质，从而向脉冲电场处理层发送脉冲，令 脉冲电场处理层内部形成脉冲电场，实现脉冲电场处理层内病原体的 灭活。
所述微型储能电池为脉冲形成主电路和逻辑控制模块供电。
所述逻辑控制模块调节脉冲形成主电路输出的脉冲参数。
所述脉冲形成主电路接收到微型储能电池和逻辑控制模块发送 的信号后，向脉冲电场处理层发送脉冲。
脉冲参数包括电压幅值，电流幅值、脉冲宽度和频率，其中，脉 冲电压幅值调节范围为[-100V，+100V]，脉冲电流幅值范围为[-20A， +20A]，脉冲宽度范围为[10ns，100μs]。脉冲频率范围为[0.01kHz， 100kHz]。脉冲参数数值可调，主要由细菌、病毒灭活的理化特征特 性决定。
所述脉冲电场处理层内部形成的脉冲电场强度范围为[0， 20kV/cm]。
实施例2：
参见图1，一种高强度脉冲电场医用防护口罩，主要包括防护口 罩和微型高强度脉冲电场发生器。
所述防护口罩包括口罩主体和挂绳。
所述挂绳分别连接在口罩主体左、右两侧。
所述口罩主体包括脉冲电场处理层和若干依次重叠的过滤层。
所述过滤层的层数为4，由外向内依次记为第一过滤层、第二过 滤层、第三过滤层和第四过滤层。其中，第一过滤层与外环境接触， 第二层过滤层和第三层过滤层之间填充脉冲电场处理层，第四过滤层 与使用者接触。
第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层和第四过滤层依次为第一 纺粘纤维层、熔喷纤维层、纳米纤维层和第二纺粘纤维层。
所述口罩主体的上端设置有捏合贴条。
所述脉冲电场处理层填充在任意两层过滤层之间。
所述脉冲电场处理层包括依次重叠的柔性导电通气介质层。所述 柔性导电通气介质层的层数等于2。
所述柔性导电通气介质层为布设有若干碳纳米管和银纳米线的 聚氨酯海绵层。
所述微型高强度脉冲电场发生器贴置在口罩主体上。
所述微型高强度脉冲电场发生器包括厚度为毫米级的微型储能 电池、脉冲形成主电路和逻辑控制模块。
所述微型储能电池为脉冲形成主电路和逻辑控制模块供电。
所述逻辑控制模块调节脉冲形成主电路输出的脉冲参数。
所述脉冲形成主电路接收到微型储能电池和逻辑控制模块发送 的信号后，向脉冲电场处理层发送脉冲。
脉冲参数包括电压幅值，电流幅值、脉冲宽度和频率，其中，脉 冲电压幅值调节范围为[-100V，+100V]，脉冲电流幅值范围为[-20A， +20A]，脉冲宽度范围为[10ns，100μs]。脉冲频率范围为[0.01kHz， 100kHz]。
所述微型高强度脉冲电场发生器通过导线分别连接每层柔性导 电通气介质层的柔性导电介质，从而向脉冲电场处理层发送脉冲，令 脉冲电场处理层内部形成脉冲电场，实现脉冲电场处理层内病原体的 灭活。
所述脉冲电场处理层内部形成的脉冲电场强度范围为[0， 20kV/cm]。
实施例3：
参见图3至图5，图7至图11，一种验证高强度脉冲电场医用 防护口罩对病毒防护效果的实验，主要如下：
1)利用COMSOLMultiphysics软件建立病毒的多层介电模型， 病毒的几何结构包括病毒囊膜及病毒衣壳。
2)利用电流模块进行瞬态分析，作用在病毒上的电场强度是由 2个铜电极板施加，电极间的间距是0.1cm，其中一个电极接地，另 一个电极接脉冲信号。病毒所在的所有区域的边界我们均设置为电 绝缘，以此来保证电极间的电场是一个均匀电场。仿真模型的网格 剖分为三角形剖分，剖分单元为7899域单元。仿真中使用偏微分模 块(PDE模块)中系数型边界偏微分方程，通过此方程建立动态的 电穿孔数值模型，对其靶向病毒的两层结构的电穿孔效应包括跨膜 电位、孔密度及电场强度进行分析。
3)将几何模型导入COMSOLMultiphysics软件后，基于该仿真 计算平台，运用电流模块和偏微分方程模型进行时域计算，分析脉 冲电场作用下单细胞的穿孔过程。如上述构建相同的物理几何模型， 根据式(1)求解域的电场分布，通过细胞膜、核膜内外电位差求解内外膜的跨膜电位，见式(2)：
Figure BDA0002396335980000061
ΔΨ＝Ψi(t)-Ψ0(t)； (2)
式中，Ψi表示细胞膜内部电势，Ψ0表示细胞膜外的电势，ΔΨ表 示细胞膜上的跨膜电位。
4)通过偏微分方程模块，构建脉冲电场作用下的细胞的电穿孔 模型，求解脉冲电场做下细胞电穿孔的穿孔过程：
Figure BDA0002396335980000062
5)仿真结果如下所示：
由图5、图7、图8可知，在病毒衣壳与囊膜表面上发生了不同 程度的穿孔效应，图9-图12反映了其在病毒外衣产生了较大范围的 穿孔区域且诱导产生1017数量级的孔密度，同时观察电场分布可知， 在达到穿孔阈值电压的区域，其场强取值范围为10kV/cm～11kV/cm， 其值可达到较好地破坏病毒衣壳的结构；
由图13-图14可知，在病毒囊膜上也发生了不同程度的穿孔效 应，其表面3/4区域都达到了穿孔阈值电压，发生了电穿孔现象，同 时，其表面也产生了大量的微孔，数量级达到了1018，表征出较好的 电穿孔效果，同时，其表面穿孔区域对应的场强取值范围为 11kV/cm～15kV/cm，能充分实现诱导电穿孔效应。
实施例4：
参见图6，图12至图19，一种验证高强度脉冲电场医用防护口 罩对细菌防护效果的实验，主要如下：
1)采用COMSOLMultiphysics软件建立细菌的多层介电模型， 细菌的几何结构为单层膜结构；
2)利用电流模块进行瞬态分析，作用在细菌上的电场强度是由 2个铜电极板施加，电极间的间距是0.1cm，其中一个电极接地，另 一个电极接脉冲信号。细菌所在的所有区域的边界我们均设置为电 绝缘，以此来保证电极间的电场是一个均匀电场。仿真模型的网格 剖分为三角形剖分，剖分单元为7899域单元。仿真中使用偏微分模 块(PDE模块)中系数型边界偏微分方程，通过此方程建立动态的 电穿孔数值模型，对其靶向细菌的两层结构的电穿孔效应包括跨膜 电位、孔密度及电场强度进行分析。仿真模型如图9所示。
3)由图13至图16可知，在不同脉宽取值下，在尖端电极处仍 可产生高场强，因此仍能诱导较好的电穿孔效应，且在短时间内可快 速到达穿孔阈值，并形成较强的电穿孔后达到较低的跨膜电位稳定值； 同时分析在细菌细胞膜上的孔密度分布可知(图18、图19)，其数量 级达到了1017且穿孔区域稳定在0°～70°，此外，不同脉宽取值下细胞 膜的穿孔区域及孔密度无显著性差异，最后分析细菌表面的实际穿孔 比率可知，其可达到10-5数量级，可见其可实现不可逆地破坏细菌细 胞膜结构。

Claims (10)

1.一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于：主要包括防护口罩和微型高强度脉冲电场发生器；
所述防护口罩包括所述口罩主体和挂绳；
所述挂绳分别连接在口罩主体左、右两侧。
所述口罩主体包括脉冲电场处理层和若干依次重叠的过滤层；
所述脉冲电场处理层填充在任意两层过滤层之间；
所述脉冲电场处理层包括依次重叠的柔性导电通气介质层；所述柔性导电通气介质层的层数大于等于2；每层柔性导电通气介质层均嵌有柔性导电介质；同层相邻柔性导电介质彼此接触；
所述微型高强度脉冲电场发生器贴置在口罩主体上；
所述微型高强度脉冲电场发生器通过导线分别连接每层柔性导电通气介质层的柔性导电介质，从而向脉冲电场处理层发送脉冲，令脉冲电场处理层内部形成脉冲电场，实现脉冲电场处理层内病原体的灭活。
2.根据权利要求1或2所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，所述脉冲电场处理层内部形成的脉冲电场强度范围为[0，20kV/cm]。
3.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，所述过滤层的层数为4，由外向内依次记为第一过滤层、第二过滤层、第三过滤层和第四过滤层；其中，第一过滤层与外环境接触，第二层过滤层和第三层过滤层之间填充脉冲电场处理层，第四过滤层与使用者接触。
4.根据权利要求3所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，第一过滤层为无纺布层或纺粘纤维层；第二过滤层为活性炭吸附层或熔喷纤维层；第三过滤层为抑菌层或纳米纤维层；第四过滤层为无纺布层或纺粘纤维层。
5.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，所述柔性导电通气介质层为聚氨酯海绵层；所述柔性导电介质包括碳纳米管和/或银纳米线。
6.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，所述微型高强度脉冲电场发生器包括厚度为毫米级的微型储能电池、脉冲形成主电路和逻辑控制模块；
所述微型储能电池为脉冲形成主电路和逻辑控制模块供电；
所述逻辑控制模块调节脉冲形成主电路输出的脉冲参数；
所述脉冲形成主电路的输出端通过导线分别连接每层柔性导电通气介质层的柔性导电介质；
所述脉冲形成主电路接收到微型储能电池和逻辑控制模块发送的信号后，向脉冲电场处理层发送脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，脉冲参数包括电压幅值，电流幅值、脉冲宽度和频率，其中，脉冲电压幅值调节范围为[-100V，+100V]，脉冲电流幅值范围为[-20A，+20A]，脉冲宽度范围为[10ns，100μs]；脉冲频率范围为[0.01kHz，100kHz]。
8.根据权利要求6所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，脉冲参数数值根据病原体灭活的理化特征特性调整。
9.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，所述口罩主体的上端设置有捏合贴条。
10.根据权利要求1所述的一种高强度脉冲电场医用防护口罩，其特征在于，相邻2层柔性导电通气介质层分别为用于形成脉冲电场的正负电极。
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