IP战“疫” | 专利，让摘下口罩的你依然最美

  2020年初，新冠疫魔卷席中国大地。数万医护人员勇赴前线，用生命守护千万大众。当忙碌多时的白衣天使偶尔摘下口罩，露出那闷得发白的脸和深深的勒痕，让人肃然起敬的同时也心痛不已。

 “北京同仁医院伤口专业委员会”2020年1月31日制定的《口罩压痕防治方案》指出，由于防护口罩、护目镜层层叠加和长时间佩戴，医护人员的脸部都出现了不同程度的压痕，造成压痕的原因包括长时间佩戴全密封防护口罩，呼出气体带有的热气、水汽和废气积聚形成潮湿环境，局部皮肤对于压力、剪切力和摩擦等耐受力降低，加剧形成压痕伤。

  从上述资料可以推知，若解决全密封防护口罩呼气性能，或可在一定程度上减轻勒痕伤害这一“技术问题”对医务工作者造成的不利影响，取得让白衣天使们常保美丽的技术效果。笔者作为一名知识产权工作者，首先想到的就是通过专利找寻解决问题的技术方案。

  通过对医用防护口罩结构的调查和检索相关口罩专利并分析，笔者发现现在医护人员所使用口罩的主要生产商3M公司，已经进行了相关专利布局：该公司在1998年申请的US09122388号专利和2000年申请的US09667406号专利（下面分别称为388号专利和406号专利）中，就提出了相关问题的解决方案。

一、专利方案简析

388号专利首次提出在口罩呼气阀上设置一个呼气过滤元件，其主要作用是防止污染物在呼气阀打开时进出，可以让佩戴者获得有效防护的同时，将废气等排出，提高用户舒适度。

 图1为过滤元件优选的设置示例图，佩戴者呼气时，呼出的热气、水汽和废气会增大口罩内部的压力，导致呼气阀打开，热气等从较高压力的内部空间流通到呼气阀孔45外，并经过过滤元件35后再进入到外部空间，由于过滤元件35可采用与罩体相同的过滤媒质（相当于呼气阀外多了一层口罩），从而使得呼气阀并没有直接与外部空间相连通，实现了呼出热气等的同时保障了通道的卫生和安全。在这个过程中，由于过滤元件35设置在阀瓣42下游且适当地延伸使得过滤元件35比罩体24连接处相对位置的表面积略大，根据流体压降的原理，佩戴者呼气时不会因为额外设置同样过滤媒质的过滤元件35增大呼气压力，有了过滤元件35守护呼气临时通道，佩戴者就可以放心使用呼气阀呼出废气而不用担心被感染。

  该专利还给出了细菌过滤效率测试、流体阻力测试、通过阀的呼出空气的百分比测试等三项性能测试，例如用3M公司1860型医用N95防护口罩加装呼气阀和过滤元件进行测试，显示用四种不同过滤元件材料和构造位置，其BFE（Bacterial Filtration Efficiency in vitro 体外细菌过滤率，依据美国军事标准MIL-M-36954C和ASTM F2101，对过滤材料进行的生物过滤效率测试）最低＞97%，实现了非常高的防护性能指标；用3M公司8511型号口罩加装过滤元件后，根据在澳大利亚Crescent,Homebush, NSW 2140澳大利亚标准协会出版的有关外科面具的澳大利亚标准AS 4381- 1996(附录D)的测试模型进行流体阻力测试，对比没有安装过滤元件的口罩（不通过测试），显示出某些结构的良好防喷溅性能；而对通过阀的呼出空气的百分比测试中，显示出如优选实施方式结构在42和79升/分的呼出气流压力下，呼出空气百分比分别为88%和112%（抽气现象，总呼气流百分比大于100%），说明可以实现较小阻力的呼吸舒适性。

  3M公司随后申请的406号专利给出了与388号专利完全不同的另外一种技术方案：使用冲击器元件。

 图2是带有冲击器口罩佩戴立体及气流流转示意图，406号专利在口罩呼气阀22外设置冲击器元件50，冲击器元件50对经呼气阀22呼出的气流100进行急剧重定向形成气流101，从侧面进入外部空间。这个过程中，冲击器元件50的存在可以产生两个作用，第一是通过对呼出气流100进行阻挡并使其改变方向时，收集呼出气流中的粒子和污染物，并将未能完全收集的粒子和污染物导向到更安全的地方；第二就是通过对呼出气流100进行阻挡的时候加大呼气阀口46与冲击器元件50之间在呼气瞬间的压力，从而阻止外部粒子和污染物在呼气阀22开启瞬间进入到罩体24内部，保障佩戴者的安全。这两个作用提升了具有呼气阀的口罩安全性，使得具有呼气阀的口罩也可以适用于防护要求更严格的环境，并帮助佩戴者有效呼出热气等，提高佩戴者的舒适性。

  图3显示了冲击器元件50的结构，盖板52设计成刚好咬合阀盖27的形状，以方便拆卸和替换，在盖板52的底部是前板53，它被设计成放在呼出气流的路径上。也就是说，前板53被设计成直接与口46对准，通过所述口46，呼出气流离开呼气阀22。呼出气流通过口46，然后碰到前板53，所述前板53改变了气流的路径。盖板52的板周围55应在阀盖27和冲击器元件50之间提供紧密、无泄漏的密封，以使所有的呼出空气沿前板53向下流动，并由前板53进行转向，而不是从盖板52周围漏出。呼出空气被强制流向前板53，以改变空气路径，在提供的优选实施方式中，这种路径的更改约在90度左右，根据呼出气流中污染物和/或粒子的直径和密度，大部分粒子不能随着气流转向，因此与气流相交叉，碰撞和撞击前板53，并在这里收集大部分污染物。另外，还可以设置分裂脊59，以帮助分配呼出的气流、形成合适瞬间压强等。

  在制作材料上，冲击器元件50可以用聚苯乙烯、聚乙烯、聚碳酸 酯、纸、木材、陶瓷、烧结的材料、微纤维、复合物和其它材料通过浇铸的、吹塑的、注塑的、热压的或其他成型方法制造获得，冲击器元件50最好是具有一定的硬度，以及基本上不能渗透液体。

  406号专利也同样给出了流体阻力测试、阀流量的百分比测试、细菌过滤效率测试等三项性能测试，这三项测试中，流体阻力测试全部结构、材质的实施例均合格，阀流量百分比全部在100%以上（即与只具有呼气阀的口罩相比，呼气阻力基本保持一致），以及BFE效率＞99%。

  二、方案对比与分析

  388号和406号专利公开了解决相同技术效果的不同技术方案，并且从该专利说明书中详尽的实验测试数据可以看出该专利技术方案所宣称技术效果的严密性，且该两项专利在全球分别有27和26项同族文件记录，可看出3M公司对该专利较为重视，愿意使用更多资源进行区域布局。该两项专利的第一发明人均为JAPUNTICH DANIEL A（D·A·杰蓬蒂奇），通过检索发现，其在3M公司从1987年开始有专利申请，一直持续到2011年，时间持续超过24年，且专利均是与口罩相关，尤其是和口罩呼气阀、驻极体过滤材料等口罩关键技术，以及从公开渠道查询JAPUNTICH DANIEL A发表的论文和参与的研发项目，均说明388号和406号专利技术方案所宣称的技术效果具有较高的置信度。

  另外，这两篇专利在中国均有同族申请，分别为：CN99809183.9和CN01816045.X，分别在2004年和2006年获得授权，不过，这两篇专利均因为没有缴纳年费于2010年3月失效（3M公司放弃该两项专利，不一定是否定技术方案的性能，也可能是基于市场性的考虑，本文仅讨论技术方案的可行性启示），也就是自2010年3月后该两项专利技术方案在中国进入到公知公用技术领域。

  那么从产业制造和产品性能角度来说，该选取哪一项专利技术方案更加合适呢？一般来说，从项目研发和产业升级规律考虑，相同申请人解决相同技术问题的技术方案，较后研发（后申请）的专利技术一般较前的更加先进。406号专利在后申请，且采用设置可拆卸冲击器元件的方式，实现了更好的技术效果，该方案对于产业化的好处是明显的：只需要针对现有带呼吸阀口罩（例如3M公司8511型号口罩）的呼吸阀阀盖设计与其能紧密咬合的冲击器元件，并保证其可装卸稳定性，即可完全采用现有的生产设备和生产工艺批量生产，不需要额外增加工序，冲击器元件可以作为额外零部件一次成型制备，与口罩配套销售即可。相比388号技术方案需要设计新的口罩结构而言，明显有利于产业化生产，并有效降低产品成本和零售价格。另外，406号专利技术方案采用冲击器元件构造，用户可以自行组装替换，且呼气阻力与一般带呼气阀口罩一样，用户的体验效果更好。

  另外，406号专利技术方案本身并非完美无缺，国内企业可以在该技术方案上进一步进行优化升级，例如如果呼气阀发生故障不能复位关闭，那么口罩就会面临吸气时外部污染物从呼气阀口进入到口罩内的风险。3M公司在2013年申请了US61846456号专利（下称456号专利）就公开了一种具有光学活性呼气阀结构的呼吸器，描述如下：无论是现有何种呼气阀结构，当佩戴者使用时，都有可能在呼气的时候将湿气或者某些物质（例如唾液颗粒）积聚在呼吸阀关键元件上，因为粘滞可能导致呼气阀失灵（例如一直处于打开状态），为此提出了在呼气阀柔性阀瓣上设置谱带偏移物质（可为膜状），在呼气阀打开和/或关闭时闪烁，并通过透明的阀盖被外界观察以判断其工作状态。456号专利技术方案提供了该膜的物理指标，以及制备该膜的相关引用技术，通过该技术方案，可以改进US09667406号专利技术方案存在的安全防护漏洞。456号专利在中国有同族申请CN201480038718.8，目前正处于第二次审查意见答复阶段，具备授权前景，参考需要关注风险。

  另外还可以考虑对冲击器元件结构的改进，例如前板53设置收集呼气颗粒的结构，和对分裂脊59导流性能进行提升，提高导流效果等。