3D 打印防护口罩：分步制作指南

面对冠状病毒 COVID-19 全球大流行，任何领域的贡献和帮助都极其重要，3D 打印领域涌现的有趣倡议值得传播。

近期频繁出现口罩短缺新闻，这种基础防护装备对医护人员至关重要，也对因工作或其他原因暴露风险较高的人群重要。

为此，抗菌 PLActive 丝材制造商 Copper3D 团队分享了适用于几乎任何 FDM 3D 打印机的口罩设计，STL 文件免费开放下载：

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图 1：NanoHack 口罩设计。来源：3D Copper。

此口罩具有以下特点：

• 抗菌抗病毒，采用 PLActive 打印，该创新纳米复合材料由优质 PLA 和专利、科学验证、高效纳米铜添加剂组成。
• 可回收：一次性外科口罩和呼吸器大量使用将危害环境。用 PLActive 打印消耗可回收材料，避免生态负面影响。
• 平铺图案，便于大规模制造，几乎适用于任何 FDM 3D 打印机。
• 模块化过滤系统：口罩采用创新模块化细颗粒过滤系统，使用经验证的铜纳米复合材料灭活病毒。系统含多层不同几何结构，提供高效细颗粒过滤。还可容纳第三方滤材如无纺丙烯、海绵或纺织品。
• 55-60°C 热成型能力，仅用吹风机或温水即可贴合任意面部解剖结构。
• 过滤控制和进气调节。长期使用呼吸器证实会降低肺活量。一次性呼吸器无法调节进气量或颗粒大小。此口罩采用模块化滤芯，可有效调节进气量和颗粒大小。可用无纺过滤丙烯、衣物、海绵、不同纺织品组合降低过滤等级。

3D 打印和组装口罩很简单，但为安全使用必须遵循以下说明：

1. 20% 填充打印，无支撑或筏板。每个口罩约耗 40 克丝材，750 克 PLActive 卷材可打印 17-18 个口罩。
2. 用吹风机或热水将口罩加热至 55-60°C。圆形部分必须完好，因此加厚以防变形。
3. 软化后，合拢鼻翼和下颌调节翼。
4. 再次加热并贴合面部，完全适配每张脸。
5. 放入一至两个额外滤芯。用单滤芯时，可用常规无纺丙烯口罩的圆形单/双层片（A）或棉卸妆棉（B），贴合过滤系统窗口。可用这些元素组合调节过滤和气流。
6. 加装固定松紧带。

图 2：NanoHack 组装说明。来源：Copper 3D。

另一选择是用 Copper3D 制造的柔性抗菌 MD¹ Flex 丝材，因柔性无需加热适配。

但须注意这些口罩虽有效，有特定局限，如短生命周期（约 8 小时）。呼吸道病毒，特别是 SARS-CoV-2 (COVID-19) 可在不同表面存活 72 小时，一天结束时我们会在距鼻口几毫米处积聚高病毒/细菌负荷，进一步暴露于危险微生物。

最后感谢 NanoHack 项目及其美国、智利科学家和工业设计师团队向社会公开专利说明和图纸。

更新（3 月 20 日）：Copper3D 发布通讯澄清 Nanohack 认证和用途。查看发布

更新（3 月 21 日）：Copper3D 新通讯称 Nanohack 对 1 微米微生物过滤效率 96.4%，对 0.02 微米 89.5%。并详述各类 FDM 打印机正确打印 Nanohack 的规格配置。查看发布

NanoHack 2.0

近期 Copper3D 团队分享新口罩设计：NanoHack 2.0。

与其他概念不同，NanoHack 2.0 由坚固气密一体式结构组成，须用 PLActive 3D 打印以提供对外部环境最大防护。为密封，边框用 MDFlex 3D 打印边缘密封，MDFlex 为抗菌 TPU。

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图 3：NanoHack 2.0 口罩设计。来源：Copper 3D。

技术考量

NanoHack 口罩旨在提供空气颗粒防护并防止污染液体污染呼吸道。

通过自制口罩有效性研究，检测到 NanoHack 滤材（无纺聚丙烯，手术口罩同材料）对 1 微米微生物过滤效率 96.4%，对 0.02 微米 89.5%。

据美国 FDA 研究，普通外科口罩设计因贴合松散无法完全防护细菌和其他污染物。外科口罩为一次性器械，须安全丢弃。卫生部门建议置入塑料袋丢弃；处理用过口罩后洗手。既往研究表明外科口罩和呼吸器残留的高病毒载量可能成为佩戴者和他人的病毒传播源。当医护触摸口罩后不洗手，或丢弃口罩无适当预防措施时会发生此情况。此外，手术室患者被外科呼吸器忽略的病原体增加医院获得性感染风险。基于此，NanoHack 口罩使用含纳米铜复合材料的可回收生物相容性聚合物 PLActive，经证实具抗菌性能。

关于铜抗菌活性，可抑制 SARS-CoV、流感等呼吸道病毒复制传播能力，因其高抗菌潜力（抗病毒抗菌）。

图 4：铜抗病毒活性。来源：Copper 3D。

因铜能在短时间暴露后灭活 SARS-CoV、流感病毒、H1N1，消除金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、李斯特菌等危险细菌，Copper3D 的 PLActive 和 MDflex 丝材成为帮助减少多种传染病传播、限制医院感染传播的有效低成本互补策略。NanoHack 设计为适合 FDM 3D 打印的抗菌面罩，采用活性材料制造。组装需用活性无纺聚丙烯滤芯（3 层）以获额外微生物防护。

据 Borkow G. 研究（基于氧化铜滤料中和悬浮病毒。抗菌剂和化疗），氧化铜浸渍无纺布滤芯能产生不同类型病毒滤器，包括呼吸道病毒。

图 5：NanoHack 2.0 口罩滤芯设计。来源：Copper 3D。

为达最佳环境防护，建议用 The Copper Company 开发的三层纳米铜复合无纺聚丙烯滤芯。

图 6：含铜颗粒滤芯病毒载量降低表。来源：Copper 3D。

图 7：氧化铜浸渍聚丙烯纤维扫描电镜图像。来源：Copper 3D。

若无法获取此类滤芯，Anna Davies 研究分析了不同材料滤芯和棉、丝等纤维的效率：

图 8：不同材料滤芯效果表。来源：Copper 3D。

使用建议

NanoMask 2.0 旨在提供空气颗粒防护，避免液体气溶胶污染呼吸道。请注意它不是 N95 口罩。它是面罩，不应视为认证 PPE。

针对医护人员，此设备仅作为最后手段：不得用于插管、机械通气、支气管镜检查或类似操作。

此口罩设计用于公共场所，最长 8 小时，每天更换无纺滤芯。处理活性滤芯后应洗手并遵循卫生部门建议预防措施。

NanoMask 清洁建议：

1. 清洗：设备应用肥皂水清洗。
2. 冲洗：清洗后用清水彻底冲洗。
3. 消毒：设备须消毒灭活残留病原体。须用化学消毒，不可用高压灭菌，因 PLActive 不耐 80°C 以上。最易获取的化学杀菌方法如下：
1. 方法 1：酒精对流感病毒有效。70% 乙醇是强广谱杀菌剂，通常优于异丙醇。因酒精易燃，限小面积表面消毒且仅在通风良好空间使用。
2. 方法：大多数家用漂白剂含 5% 次氯酸钠（50,000 ppm 有效氯）。推荐稀释：1:100 稀释 5% 次氯酸钠为常规建议。1 份漂白剂配 99 份冷自来水（1:100 稀释）消毒表面。根据漂白剂浓度调整比例以达适当次氯酸钠浓度。例如 2.5% 次氯酸钠漂白剂，用双倍漂白剂（即 2 份漂白剂配 98 份水）。
4. 冲洗：化学消毒后用无菌或清洁水冲洗（即煮沸 5 分钟冷却水）。无菌水优先用于化学消毒后呼吸设备残留液体化学消毒剂冲洗，因自来水或蒸馏水可能藏匿导致肺炎的微生物。但无菌水不可行时，可用自来水或过滤水（通过 0.2 μ 滤器）。建议浸泡消毒，接触时间 30 分钟。
5. 干燥设备：上一步后用酒精冲洗并强制风干。
6. 存储：干燥状态下密封包装保存。

NanoHack 2.2

Copper3D 近期发布 NanoHack 2.0 更新版：NanoHack 2.2。

同前代一样，NanoHack 2.2 为一体式结构。新版采用 3 层恒定壁无角度设计强化设备结构。内部滤芯结构提供 Voronoi 或 Gyroid 两种选项。

NanoHack 2.2 总打印时间 4.5 小时。

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图 9：NanoHack 2.2 口罩设计。来源：Copper 3D。

NanoHack 2.0 和 2.2 口罩设计适配下巴尖至眼平面（水平线穿过双眼中间）高 12 cm、颧骨间距（直接在鼻上测量）12 cm 的面部。若面部尺寸偏小或偏大，建议按 5% 或 10% 缩放模型以完美贴合。