Onderzoekers hebben een nieuwe studie afgerond naar hoe goed een verscheidenheid aan natuurlijke en synthetische stoffen deeltjes filtert die vergelijkbaar zijn met het virus dat COVID-19 veroorzaakt. Van de 32 geteste stoffen materialen, drie van de vijf meest effectieve in het blokkeren van deeltjes waren 100% katoen en hadden een zichtbare verheven vezel of dutje, zoals gevonden op washandjes. Vier van de vijf laagste presteerders waren synthetische materialen. De tests toonden ook aan dat meerdere stoflagen de effectiviteit van katoen nog verder konden verbeteren. Geen van de materialen kwam in de buurt van de efficiëntie van N95-maskers.

Hoewel de steekproefomvang relatief klein was, de onderzoekers merkten dat strakkere geweven stoffen over het algemeen beter filtreren dan gebreide en los geweven stoffen. De 100% katoenen stoffen met veel opstaande vezels bleken ook beter te filteren dan katoenen stoffen die deze eigenschap niet hadden. De verhoogde vezels vormen vaak webachtige structuren die vergelijkbaar zijn met die in maskers van medische kwaliteit.

Drie onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST)—Christopher Zangmeister, James Radney en Jamie Weaver werkten samen met Edward Vicenzi van het Museum Conservation Institute van het Smithsonian Institution om materialen te evalueren en zowel hun vermogen om deeltjes te filteren als hun ademend vermogen te bepalen. Hun resultaten verschijnen in het tijdschrift ACS Nano .

De Amerikaanse centra voor ziektebestrijding en -preventie (CDC) beveelt mensen aan om stoffen gezichtsbedekkingen te dragen in openbare omgevingen waar sociale afstand moeilijk is, in de eerste plaats om te voorkomen dat een persoon die niet weet dat hij besmet is, het virus verspreidt.

Het virus dat COVID-19 veroorzaakt, wordt voornamelijk verspreid via ademhalingsdruppels die worden uitgestoten wanneer een persoon niest, hoesten of zelfs praten. Echter, sommige onderzoeken suggereren ook dat het virus zich kan verspreiden door veel kleinere aerosolen - kleiner dan 1/100ste van de breedte van een mensenhaar - die ook worden uitgestoten, en die veel langer in de lucht kunnen blijven hangen dan druppeltjes.

"Het blijkt dat kant-en-klare materialen enige bescherming bieden tegen aerosolen als je meerdere lagen stof gebruikt en een gezichtsbedekking goed past, "zei Zangmeister. "Maar geen enkele is zo goed als een N95-masker."

Het project meet een veelgebruikte manier om te bepalen hoe goed een materiaal deeltjes vangt, filtratie-efficiëntie genoemd. Zangmeister en Radney, die experts zijn in het meten van aerosolen, zette een relatief eenvoudig experiment op dat berustte op uiterst gevoelige apparatuur voor het dimensioneren en tellen van aerosoldeeltjes.

De experimenten gebruikten stofstalen, of stalen, in plaats van volledige maskers. "In principe, we nemen een staaltje materiaal en laten er een stroom deeltjes van een bekende grootte naar toe stromen, " zei Zangmeister. "We tellen het aantal deeltjes in de lucht voor en nadat het door de stof is gegaan. Dat vertelt ons hoe effectief het materiaal is in het opvangen van deeltjes."

In plaats van echte (en gevaarlijke) monsters van het SARS-CoV-2-virus, het team gebruikte tafelzout, of natriumchloride (NaCl), de aanbevolen stand-in voor virusdeeltjes door het National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) van de CDC, die testnormen vaststelt voor N95 en andere maskers. De luchtstroomsnelheden die in de experimenten werden gebruikt, waren ook afkomstig van NIOSH-testaanbevelingen.

De onderzoekers testten elk materiaal tegen deeltjes van 50 tot 825 nanometer (nm) om de relatieve prestaties in kaart te brengen.

In de tussentijd, Wever, een materiaalchemicus met een achtergrond in textiel, en Vicenzi, een expert in microscopie, bestudeerde elk stuk stof om het aantal garens te bepalen, weven en masseren in de hoop een verband te leggen tussen deze kenmerken en het vermogen van de stof om deeltjes te filteren.

De SARS-CoV-2-virusdeeltjes hebben een diameter van ongeveer 110 nm. N95-maskers worden grondig getest om ervoor te zorgen dat ze ten minste 95% van de deeltjes in dit groottebereik blokkeren. Een HEPA-filter (high-efficiency particulate air) zoals je die misschien in een luchtreiniger aantreft, blokkeert 99,97% van de deeltjes die ongeveer 300 nm groot zijn, en een nog hoger percentage kleinere deeltjes. Van de stoffen die in de NIST-studie zijn getest, de best presterende enkele weefsellaag blokkeerde 20% van de deeltjes in het groottebereik van het virus.

Terwijl Zangmeister en Radney de aerosolexperimenten uitvoerden in NIST's Gaithersburg, Maryland, campus, Weaver en Vicenzi konden hun beeldvormingswerk thuis uitvoeren, waar ze sinds half maart aan het werk zijn.

"We hebben opzettelijk goedkope digitale microscopen en freeware gebruikt om ons deel van het onderzoek vanuit huis te doen, " zei Weaver. "Een motivatie hiervoor was het ontwikkelen van beeldvormingsmethoden waarmee burgerwetenschappers stoffen beter zouden kunnen bestuderen voor relatief lage opstartkosten."

Naast de stoffen, het team keek naar materialen, waaronder een HEPA-filter, N95-masker, een chirurgisch masker en zelfs koffiefilters, die zijn voorgesteld voor gebruik in zelfgemaakte gezichtsbedekkingen, ter vergelijking. Het team testte ook combinaties van stoffen (een katoenen en een synthetische laag), die geen verhoogde effectiviteit vertoonden.

Door beeldvorming en aerosolmetingen te combineren, het team ontdekte dat sommige stoffen die de meeste deeltjes filteren, ook het moeilijkst zijn om door te ademen, en sommige voldoen zelfs niet aan de gezondheids- en veiligheidsaanbevelingen voor ademend vermogen.

"De textuur bleek een van de nuttigere parameters om naar te kijken, omdat we ontdekten dat de meeste katoenen stoffen met opstaande draden de neiging hadden om het beste te filteren, " zei Weaver. "Onze bevindingen suggereren dat het vermogen van een stof om deeltjes te filteren gebaseerd is op een complexe wisselwerking tussen materiaaltype, vezel- en weefstructuren, en garentelling."

Dit onderzoek draagt ​​bij aan de kennis over stoffen en filtratie die teruggaat tot de grieppandemie van 1918 die naar schatting 20 tot 50 miljoen mensen wereldwijd kostte en leidde tot het eerste onderzoek naar stoffen maskers en hun potentieel om te beschermen tegen virussen. Het ondersteunt ook later onderzoek dat suggereert dat doekfilters niet geschikt zouden zijn voor instellingen in de gezondheidszorg.

Maar ondanks tientallen jaren van onderzoek naar dit onderwerp, het team ontdekte dat een gebrek aan standaard testmethoden en het brede scala aan geteste materialen het moeilijk maakten om de resultaten van eerder gepubliceerde onderzoeken direct te vergelijken. Ze hopen dat hun werk een methode zal opleveren om materialen snel te screenen.

"We wisten het antwoord niet toen we aan dit project begonnen, "zei Zangmeister. "Maar het komt erop neer dat geen van deze stoffen zo goed is als een N95-masker. Nog altijd, stoffen gezichtsbedekkingen kunnen de verspreiding van het coronavirus helpen vertragen. We hopen dat dit onderzoek fabrikanten en doe-het-zelvers zal helpen om de beste stoffen voor de klus te bepalen en als basis zal dienen voor aanvullend onderzoek."

Het team is van plan om in de nabije toekomst een nieuwe testronde te beginnen met een nieuwe set materialen. Weaver en Vicenzi hebben hun beeldhardware geüpgraded en zijn van plan om meer geavanceerde textuuranalyse te gebruiken voor de volgende ronde stoffen.