Ansigtsbelægninger lavet af lagdelt bomuldsstof bremser sandsynligvis spredningen af ​​COVID-19 bedre end syntetiske stoffer

Forskere har afsluttet en ny undersøgelse af, hvor godt en række naturlige og syntetiske stoffer filtrerer partikler af samme størrelse som den virus, der forårsager COVID-19. Af de 32 testede stofmaterialer, tre af de fem mest effektive til at blokere partikler var 100 % bomuld og havde en synlig hævet fiber eller lur, som findes på flanneller. Fire af de fem lavest ydende var syntetiske materialer. Testen viste også, at flere stoflag kunne forbedre bomulds effektivitet yderligere. Ingen af ​​materialerne kom i nærheden af ​​effektiviteten af ​​N95-masker.

Selvom stikprøvestørrelsen var relativt lille, forskerne bemærkede, at tættere vævede stoffer generelt filtrerede bedre end strik og løst vævede stoffer. De 100 % bomuldsstoffer med mange forhøjede fibre syntes også at filtrere bedre end bomuldsstoffer, der manglede denne egenskab. De hævede fibre danner ofte vævlignende strukturer svarende til dem i masker af medicinsk kvalitet.

Tre forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST)—Christopher Zangmeister, James Radney og Jamie Weaver - gik sammen med Edward Vicenzi fra Smithsonian Institution's Museum Conservation Institute for at evaluere materialer og bestemme både deres evne til at filtrere partikler og deres åndbarhed. Deres resultater vises i journalen ACS Nano .

U.S. Centers for Disease Control and Prevention (CDC) anbefaler, at folk bærer ansigtsbeklædning i stof i offentlige omgivelser, hvor social distancering er vanskelig, primært for at forhindre en person, der ikke ved, at de er smittet, i at sprede virussen.

Virussen, der forårsager COVID-19, spredes primært gennem luftvejsdråber, der udstødes, når en person nyser, hoste eller endda taler. Imidlertid, noget forskning tyder også på, at virussen kan spredes gennem meget mindre aerosoler - mindre end 1/100 af bredden af ​​et menneskehår - som også udstødes, og som kan blive hængende i luften meget længere end dråber.

"Det viser sig, at hyldematerialer giver en vis beskyttelse mod aerosoler, hvis du bruger flere lag stof, og en ansigtsbeklædning sidder tæt, " sagde Zangmeister. "Men ingen er så gode som en N95 maske."

Projektet målte en almindelig måde at bestemme, hvor godt et materiale fanger partikler, kaldet filtreringseffektivitet. Zangmeister og Radney, som er eksperter i at måle aerosoler, opstillet et relativt simpelt eksperiment, der byggede på ekstremt følsomt udstyr til dimensionering og optælling af aerosolpartikler.

Forsøgene brugte stofprøver, eller farveprøver, frem for komplette masker. "I bund og grund, vi tager en prøve af materiale og flyder en strøm af partikler af en kendt størrelse på det, " sagde Zangmeister. "Vi tæller antallet af partikler i luften før og efter den er passeret gennem stoffet. Det fortæller os, hvor effektivt materialet er til at fange partikler."

I stedet for rigtige (og farlige) prøver af SARS-CoV-2 virus, holdet brugte bordsalt, eller natriumchlorid (NaCl), den anbefalede stand-in for viruspartikler af CDC's National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), som etablerer teststandarder for N95 og andre masker. De luftstrømshastigheder, der blev brugt i eksperimenterne, var også fra NIOSH-testanbefalinger.

Forskerne testede hvert materiale mod partikler i området fra 50 til 825 nanometer (nm) for at kortlægge dets relative ydeevne.

I mellemtiden Væver, en materialekemiker med en baggrund i tekstiler, og Vicenzi, ekspert i mikroskopi, studerede hvert stykke stof for at bestemme dets garnantal, vævning og masse i håbet om at etablere et forhold mellem disse egenskaber og stoffets evne til at filtrere partikler.

SARS-CoV-2-viruspartiklerne er omkring 110 nm i diameter. N95-masker er grundigt testet for at sikre, at de blokerer mindst 95 % af partiklerne i dette størrelsesområde. Et HEPA-filter (højeffektivt partikelluft) som dem, du kan finde i en luftrenser, blokerer 99,97 % af partiklerne, der er omkring 300 nm store, og en endnu højere procentdel af mindre partikler. Af de stoffer, der blev testet i NIST-undersøgelsen, det bedst ydende enkelt stoflag blokerede 20 % af partiklerne i virusstørrelsesområdet.

Mens Zangmeister og Radney udførte aerosoleksperimenterne på NISTs Gaithersburg, Maryland, universitetsområde, Weaver og Vicenzi var i stand til at udføre deres billedbehandlingsarbejde derhjemme, hvor de har arbejdet siden midten af ​​marts.

"Vi brugte med vilje billige digitale mikroskoper og freeware til at gøre vores del af forskningen hjemmefra, " sagde Weaver. "En motivation for dette var at udvikle billeddannelsesmetoder, der ville give borgerforskere mulighed for bedre at studere stoffer til relativt små opstartsomkostninger."

Ud over stofferne, holdet så på materialer, herunder et HEPA-filter, N95-maske, en kirurgisk maske og endda kaffefiltre, som er blevet foreslået til brug i hjemmelavede ansigtsbeklædninger, til sammenligning. Holdet testede også kombinationer af stoffer (et bomuld og et syntetisk lag), som ikke viste øget effektivitet.

Ved at kombinere billeddannelse og aerosolmålinger, holdet fandt ud af, at nogle stoffer, der filtrerer flest partikler, også er de sværeste at ånde igennem, og nogle opfylder endda ikke sundheds- og sikkerhedsanbefalinger for åndbarhed.

"Teksturen viste sig at være en af ​​de mere nyttige parametre at se på, fordi vi fandt ud af, at de fleste bomuldsstoffer med forhøjede tråde havde en tendens til at filtrere bedst, " sagde Weaver. "Vores resultater tyder på, at et stofs evne til at filtrere partikler er baseret på et komplekst samspil mellem materialetype, fiber- og vævningsstrukturer, og garntælling."

Denne forskning tilføjer den viden om stoffer og filtrering, der går tilbage til influenza-pandemien i 1918, der dræbte anslået 20 til 50 millioner mennesker verden over og foranledigede den første forskning i stofmasker og deres potentiale til at beskytte mod vira. Det understøtter også efterfølgende forskning, der tyder på, at stoffiltre ikke ville være egnede til sundhedsmiljøer.

Men på trods af årtiers forskning om emnet, holdet fandt, at mangel på standardtestmetoder og den brede vifte af testede materialer gjorde det vanskeligt direkte at sammenligne resultaterne af tidligere offentliggjorte undersøgelser. De håber, at deres arbejde vil give en metode til hurtigt at screene materialer.

"Vi vidste ikke svaret, da vi startede dette projekt, " sagde Zangmeister. "Men bundlinjen er, at ingen af ​​disse stoffer er så gode som en N95 maske. Stadig, ansigtsbeklædning i stof kan hjælpe med at bremse spredningen af ​​coronavirus. Vi håber, at denne forskning vil hjælpe producenter og gør-det-selv-ere med at bestemme de bedste stoffer til jobbet og tjene som grundlag for yderligere forskning."

Holdet planlægger at begynde endnu en testrunde på et nyt sæt materialer i den nærmeste fremtid. Weaver og Vicenzi har opgraderet deres billedbehandlingshardware og planlægger at anvende mere sofistikeret teksturanalyse til den næste runde stof.