Materiaalwetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een herbruikbaar "nanotech-masker" ontwikkeld dat 99,9 procent van de bacteriën kan filteren, virussen en fijnstof (PM), evenals het doden van bacteriën.

De nieuwe antimicrobiële coating doodt bacteriën binnen 45 seconden en is minimaal 144 uur (zes dagen) werkzaam.

De filtratie-efficiëntie overtreft die van N95-maskers (95 procent filtratie van PM0.3) en kan meer dan 10 keer worden gewassen en hergebruikt.

Half mei, Singapore verscherpte zijn COVID-19-maatregelen omdat het land te maken had met een toename van het aantal besmettingen, en de bevolking werd geadviseerd gezichtsmaskers te gebruiken met een hoog filtratievermogen om de verspreiding van het coronavirus tegen te gaan.

Het made-in-NTU-masker bestaat uit twee belangrijke componenten:een antimicrobiële coating gemaakt van koperen nanodeeltjes, ontwikkeld en gepatenteerd door professor Lam Yeng Ming, gecoat op een stoffen masker uitgevonden door universitair hoofddocent Liu Zheng, die een unieke diëlektrische eigenschap heeft die alle nanodeeltjes en ziektekiemen aantrekt.

Prof Lam, die ook de voorzitter is van NTU's School of Materials Science and Engineering, zei dat hun maskerprototype de twee meest gewenste eigenschappen combineert die nodig zijn om COVID-19 te bestrijden, in één filter.

"Bij experimenten onze coating van koperen nanodeeltjes heeft een extreem snelle en aanhoudende antibacteriële activiteit, met een dodelijke efficiëntie tot 99,9 procent wanneer het voldoet aan multiresistente bacteriën. Deze coating helpt de verspreiding van bacteriën te verminderen, omdat het microben doodt in druppeltjes die worden vastgehouden door de maskervezels. die een uitstekende filtratie-efficiëntie bieden. Dit zou gebruikers een dubbele beschermingslaag moeten geven in vergelijking met conventionele chirurgische maskers, " verklaarde prof Lam.

Experimenten met de antibacteriële effectiviteit van het masker werden uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van de National University of Singapore (NUS). Ze simuleerden levensechte omstandigheden door multiresistente bacteriën in druppelvorm op stoffen oppervlakken te introduceren en merkten op dat bijna alle bacteriën na 45 seconden dood waren.

De reden voor de effectiviteit van de antimicrobiële coating was tweeledig:de eerste is de extreem kleine omvang van de nanodeeltjes, die zijn ongeveer 1, 000 keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar. collectief, miljoenen nanodeeltjes zorgen voor een enorm oppervlak voor de virussen en bacteriën om in contact te komen, vergeleken met grotere deeltjes.

De tweede is het hoge niveau van oxidatieve schade veroorzaakt door het koperoxidemateriaal. Koperoxide induceert de vorming van reactieve zuurstofsoorten, resulterend in DNA-schade van belangrijke celstructuren in de bacteriën, zoals het celmembraan, het ernstig beschadigen en ervoor zorgen dat de bacteriën sterven.

Om het aanbrengen gemakkelijk te maken, de antimicrobiële nanodeeltjesoplossing is ontworpen om te worden gespraycoat op alle zachte en harde oppervlakken.

Verschillende peer-reviewed studies hebben aangetoond dat koperoxide effectief is in het doden van virussen, zoals de recente studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces door de Universiteit van Hong Kong en Virginia Tech, waar deurklinken waren bedekt met een laag koperoxide materiaal.

Het NTU-team testte hun nanodeeltjescoating in zware omstandigheden gedurende 120 wascycli (in aanwezigheid van zeep of de actieve componenten ervan bij 45 °C) en ontdekte dat er bijna geen koperverlies was, wat zeer weinig risico op toxiciteit voor mensen met zich meebrengt.

De nanodeeltjes zijn ook gebonden aan de vezels in het masker, er is dus geen contact met de menselijke huid wanneer het masker wordt gedragen.

Superieure opvangmogelijkheden van het masker

Het doden van virussen en bacteriën zou alleen werken als het masker in staat is om ze te vangen en te voorkomen dat ze er doorheen gaan. Hier kwam de doorbraak van Assoc Prof Liu goed van pas.

Vorig jaar, zijn team ontwikkelde een manier om diëlektrische materialen te integreren in plastic vezels tijdens het fabricageproces van een ongeweven stoffilter gemaakt van polypropyleen (PP), vaak gebruikt in chirurgische wegwerpmaskers die door ziekenhuizen worden gebruikt. Dit gebeurde in samenwerking met Prof Guan Li van de Renmin University of China.

De diëlektrische materialen hebben uitstekende elektrostatische mogelijkheden, die deeltjes met een negatieve of positieve lading kan aantrekken en eraan kan binden, vergelijkbaar met hoe magneten metaaldeeltjes aantrekken.

Gemaakt van vezels met een diameter van 200 tot 300 nanometer, het masker heeft een groter oppervlak dat de ademweerstand verlaagt, waardoor de drager gemakkelijker kan ademen in vergelijking met conventionele N95-ademhalingstoestellen, die dichter zijn.

Bij testen, het diëlektrische composietweefsel van de volgende generatie had een 50 procent hogere filtratie-efficiëntie dan pure PP-maskers, die gewoonlijk worden beoordeeld op 95 procent BFE (Bacterial Filtration Efficiency).

Assoc Prof Liu zei:"Met ons nieuwe composietfilter, we kunnen tot 99,9 procent BFE bereiken, het vangen van bijna alle microben en fijnstof uit rook of nevel. De filtratie-efficiëntie overtreft een N95-masker, maar laat de drager veel gemakkelijker ademen.

"Belangrijker, het kan gemakkelijk in massa worden geproduceerd met behulp van het huidige productieproces. Het is ook meer dan 10 keer wasbaar voordat het de filtratie-efficiëntie verliest, waardoor het duurzamer is dan de huidige wegwerpmaskers voor eenmalig gebruik."

Bij experimenten, het masker was in staat een breed scala aan deeltjes aan te trekken en vast te houden:van PM10 (gemiddelde deeltjesgrootte van 10 micron) tot PM0,3 (0,3 micron - ongeveer 0,3 procent van de diameter van een mensenhaar) met een filtratie-efficiëntie van 99,9 procent .

De antimicrobiële coating heeft een patent ingediend door NTU's ondernemings- en innovatiebedrijf, NTUitief, en het team van Prof Lam werkt al samen met een lokaal bedrijf om het op hun producten te coaten.

Het diëlektrische composietmateriaal van Assoc Prof Liu wordt nu gebruikt door een overzeese fabrikant om N95-maskers te maken die net zo gemakkelijk te ademen zijn als chirurgische wegwerpmaskers en die in de handel verkrijgbaar zijn.

Het team is nu op zoek naar samenwerking met lokale industriepartners die de productie van hun 2-in-1-masker graag willen licentiëren en opschalen en momenteel wetenschappelijke artikelen voorbereiden voor indiening in wetenschappelijke tijdschriften.

NTU-wetenschappers hebben gewerkt aan het ontwikkelen van oplossingen in de wereldwijde strijd tegen COVID-19.

Deze omvatten innovaties zoals autonome desinfectierobots, COVID-19-sneltestkits en een blaasapparaat, een slim masker, antimicrobiële deklagen, evenals fundamenteel onderzoek naar het coronavirus om nieuwe medicijndoelen te vinden voor behandeling en vaccinontwikkeling.

Gezondheidszorg is een van de grote uitdagingen van de mensheid die NTU wil aanpakken in het kader van het strategische plan NTU 2025.