Einfluss der Waschparameter auf die Effizienz der Bakterienfiltration und die Atmungsaktivität von Gesichtsmasken für den öffentlichen und medizinischen Bereich

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15853 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Können medizinische Gesichtsmasken durch wiederverwendbare Community-Gesichtsmasken mit ähnlicher Leistung ersetzt werden? Der Einfluss der Anzahl der Waschzyklen, der Waschtemperatur und der Verwendung von Waschmittel wurde auf die Leistung einer medizinischen Gesichtsmaske (MFM) und zehn Community-Gesichtsmasken (CFM) bewertet. Die Leistung der neuen und gewaschenen Masken wurde anhand der Bakterienfiltrationseffizienz (BFE) und des Differenzdrucks (DP) charakterisiert. Die Tests an den neuen Masken zeigten, dass die MFM immer einen besseren BFE hatten als die CFMs. Obwohl zwei der CFMs einen BFE-Wert von mehr als 95 % aufwiesen, kann nur eines aufgrund der BFE- und DP-Anforderungen als MFM vom Typ I klassifiziert werden. Der Einfluss der Waschparameter auf die MFM und diese beiden CMFs mit hervorragenden BFE-Eigenschaften wurde untersucht. Die Parameter hatten keinen Einfluss auf den BFE von CFMs, während das MFM beim Waschen mit Detergens einen Effizienzverlust aufwies. Der DP der Masken wurde durch das Waschen nicht beeinträchtigt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass es trotz eines Kompromisses zwischen BFE und Atmungsaktivität möglich erscheint, CFMs mit ähnlichen Leistungen wie ein MFM vom Typ I herzustellen, ohne die Anforderungen des Typs II zu erfüllen.

Atemtröpfchen und Aerosole können durch verschiedene Ausatmungsaktivitäten wie Husten, Niesen und Sprechen erzeugt werden. Wie SARS-CoV-2 werden auch andere Atemwegsviren durch die Luftübertragung über Tröpfchen und Aerosole, die Viruspartikel enthalten, verbreitet1. Während der Ausbreitung von SARS-CoV-2, die im Jahr 2020 die COVID-19-Pandemie auslöste, wurden Gesichtsmasken weithin als Mittel zur Reduzierung der Kontamination in Innenräumen akzeptiert2. Die Verwendung von Masken trägt nachweislich dazu bei, die Ausbreitung des Virus zu verringern, da Gesichtsmasken in erster Linie mit der Absicht verwendet werden, zu verhindern, dass der infizierte Träger das Virus auf andere überträgt (Quellenkontrolle)3,4. Allerdings könnten Masken den Träger auch vor einer Ansteckung mit COVID-19 schützen. Tatsächlich haben einige Studien gezeigt, dass Masken dem gesunden Träger Schutz vor Infektionen bieten können (Schutz)5,6. Gesichtsmasken können in Atemschutzmasken, medizinische und nichtmedizinische Gesichtsmasken unterschieden werden7. Vor der Covid-19-Pandemie wurden medizinische Gesichtsmasken typischerweise in Pflegediensten für medizinisches Personal empfohlen. Als Reaktion auf die Pandemie haben die Regierungen jedoch das Tragen von Masken an öffentlichen Orten vorgeschrieben, was zu einem raschen Anstieg der Nachfrage nach medizinischen Gesichtsmasken und damit zu Spannungen bei deren Angebot führte. Daher wurden Community-Gesichtsmasken oder Stoffmasken eingeführt, um dem weltweiten Mangel an medizinischen Gesichtsmasken zu begegnen8,9,10 und werden parallel zu den medizinischen Gesichtsmasken verwendet.

Zusätzlich zu den Engpässen stellen diese medizinischen Einweg-Gesichtsmasken eine große Abfallquelle dar und tragen zum bereits bestehenden Problem der Mikroplastikverschmutzung in Meeres- und Landumgebungen bei11,12,13. Folglich rückt die Wiederverwendbarkeit von Masken zunehmend in den Fokus des Interesses. Community-Gesichtsmasken gelten daher als umweltfreundlichere Alternative zu medizinischen Einweg-Gesichtsmasken, da sie durch Waschen mehrmals wiederverwendet werden können14,15. Obwohl die medizinischen Gesichtsmasken ursprünglich für den einmaligen Gebrauch konzipiert waren, erscheint die Untersuchung der Machbarkeit der Wiederverwendung auch aus Umwelt- und Versorgungsgründen interessant. Einige Studien haben gezeigt, dass medizinische Gesichtsmasken nach 10 Waschzyklen wiederverwendet werden können16,17.

Obwohl der Schutz von Community-Gesichtsmasken gegen kleine Partikel sehr unterschiedlich ist und in der Regel geringer ist als der von medizinischen Gesichtsmasken18,19, wird ihre Verwendung dennoch empfohlen, um andere Menschen vor der Übertragung des SARS-CoV-2-Virus zu schützen20. In dieser Studie möchten wir feststellen, ob einige im Handel erhältliche Community-Gesichtsmasken eine Leistung aufweisen, die der einer medizinischen Standard-Gesichtsmaske nahekommt. Darüber hinaus versuchen wir, den Einfluss von drei Waschparametern auf die Leistung von Community-Gesichtsmasken zu bewerten und ihre Leistung dann mit der einer neuen oder unter den gleichen Bedingungen gewaschenen medizinischen Gesichtsmaske zu vergleichen. Zu den untersuchten Parametern gehören die Anzahl der Waschzyklen, die Wassertemperatur und die mögliche Verwendung von Waschmittel während der Waschzyklen.

Für medizinische Gesichtsmasken gelten besondere normative Anforderungen. In Europa werden die Leistungsanforderungen in der Norm EN 14683:201921 in Bezug auf die minimale Bakterienfiltrationseffizienz (BFE), die Maximalwerte für den Differenzdruck (DP), die maximale Biobelastung und Anforderungen an die Spritzfestigkeit beschrieben. In dieser Arbeit unterliegen sowohl die medizinische Gesichtsmaske als auch die Community-Gesichtsmaske der EN 14683:2019, und wir konzentrieren uns nur auf zwei Parameter: den BFE (der die Filterkapazität des Maskenmaterials angibt) und den DP (der die Atmungsaktivität des Maskenmaterials angibt). Maskenmaterial). In diesem Sinne hebt sich unsere Studie von bereits veröffentlichten Artikeln zu verwandten Themen ab, denn obwohl die Wiederverwendbarkeit von medizinischen Gesichtsmasken und Community-Gesichtsmasken nach unterschiedlichen Wasch- oder Dekontaminationsprozessen bereits veröffentlicht wurde, ist die Anzahl der Artikel, die stattdessen die bakterielle Filtrationseffizienz verwenden, höher Eine Effizienzmessung mit nicht-biologischen Materialien ist immer noch sehr gering. Eine große Originalität besteht daher darin, mithilfe eines Bioaerosols die Filtrationseffizienz von Community-Gesichtsmasken nach dem Waschen gemäß der für medizinische Masken geforderten Norm zu messen, um deren Leistung hinsichtlich Filtration (BFE-Messung) und Atmungsaktivität vergleichen zu können (DP-Messung).

In dieser Studie wurden zehn Community-Gesichtsmasken verschiedener französischer Hersteller gekauft und zunächst bewertet. Bei der in dieser Studie verwendeten medizinischen Gesichtsmaske handelt es sich um eine medizinische Maske vom Typ IIR, die gemäß der europäischen Norm EN 14683: AC 2019 zertifiziert ist. Maskenreferenzen finden Sie in der Ergänzungstabelle S1. Die Messungen wurden an fünf Proben jedes Maskentyps durchgeführt.

Die Bewertung des BFE erfolgte gemäß der Norm EN 14683:2019 für die Leistung medizinischer Masken und unter Verwendung eines veröffentlichten Verfahrens22. Mit einem E-Flow-Mesh-Zerstäuber (Pari GmbH, Starnberg, Deutschland) wird ein Aerosolstrom erzeugt, der eine bekannte Ladung Staphylococcus aureus ATCC 29213 enthält. Die Zählungen werden in koloniebildenden Einheiten (KBE) ausgedrückt. Das Kulturmedium wird verdünnt, um für die Tests eine Konzentration von etwa 5 × 105 KBE ml−1 zu erhalten. Die durchschnittliche Anzahl der KBE lag im Durchschnitt zwischen 1,7 × 103 KBE und 3,0 × 103 KBE, während die mittlere Partikelgröße (MPS) bei 3,0 ± 0,3 μm gehalten wurde. gemäß EN 14683:2019. Der MPS wurde wie folgt berechnet:

wobei \(P_{i}\) die 50 % effektiven Cut-off-Durchmesser jeder der sechs Stufen des Impaktors (im Bereich von 0,65 bis 7 µm) ist und \(C_{i}\) die Anzahl der KBE ist im i-ten Stadium gewachsen, wenn keine Maske (positiver Lauf) im System vorhanden ist.

Das erzeugte Aerosol wird dann von einer Vakuumpumpe mit einem konstanten Durchfluss von 28,3 l/min durch die Aerosolkammer (Glaszylinder mit 60 mm Durchmesser und 600 mm Länge) gesaugt. Die Maskenproben werden zwischen der Aerosolkammer und einem sechsstufigen Andersen-Kaskadenimpaktor eingespannt. Jede der sechs Stufen besteht aus 400 Öffnungen und einer 90-mm-Petrischale aus Kunststoff, die ein Agar-Kulturmedium enthält und als Impaktionsplatten dient. Abhängig vom Durchmesser der Öffnungen treffen Tröpfchen einer bestimmten Klassengröße auf die Petrischale und lösen die Bildung einer Bakterienkolonie aus. Die 50 % effektiven Cut-off-Durchmesser (d. h. die Partikeldurchmesser, die einer 50 %-Probenahmeeffizienz entsprechen) für jede der sechs Stufen bei Betrieb mit 28,3 l/min liegen im Bereich von 7 μm (Stufe 1), 4,7 μm und 3,3 μm , 2,1 μm, 1,1 μm bis 0,65 μm (Stufe 6).

Jede Probe hatte eine Größe von mindestens 100 mm × 100 mm und die Testfläche betrug daher mindestens 49 cm2, wie in EN 14683:2019 gefordert. Die Tests wurden durchgeführt, indem das Innere der Maske mit den aerosolisierten Bakterien in Kontakt gebracht wurde. Jede Probe wurde vor dem Test mindestens 4 Stunden lang bei 21 ± 5 °C und 85 ± 5 % relativer Luftfeuchtigkeit konditioniert, um ein atmosphärisches Gleichgewicht zu erreichen. Um den BFE einer Maske zu bewerten, muss eine Reihe von acht aufeinanderfolgenden Messungen durchgeführt werden. Zunächst wird ein Positivkontrolllauf durchgeführt, ohne dass eine Maske zwischen dem Kaskadenimpaktor und der Aerosolkammer positioniert ist. Als nächstes werden fünf Experimente an Testproben durchgeführt, wobei die Maske für jedes Experiment geändert wird. Anschließend wird ein zweites Positivkontrollexperiment durchgeführt. Schließlich endet dieser Zyklus aus acht aufeinanderfolgenden Experimenten mit einem Negativkontrolllauf, bei dem Luft ohne Zugabe von Bakterien 2 Minuten lang durch den Kaskadenimpaktor geleitet wird (dies dient als Kontaminationskontrolle, um zu überprüfen, ob sich die Bakterien während des Positivlaufs abgelagert haben). die Testproben stammten ausschließlich aus der Bioaerosolquelle).

Der BFE wird wie folgt berechnet:

Dabei ist C der Mittelwert der beiden positiven Läufe der Gesamt-KBE der sechs Plattenzählungen und T die Gesamt-KBE der sechs Plattenzählungen für jede Testprobe.

Die Petrischalen wurden 22 ± 2 Stunden lang bei 37 ± 2 °C inkubiert. Die KBE wurden mit einem automatischen Kolonienzähler Scan 4000 (Interscience) gezählt.

Die BFE-Anforderungen für verschiedene Kategorien medizinischer Gesichtsmasken gemäß EN 14683:2019 sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Der Test des Atemwiderstands wurde gemäß dem Standardverfahren EN 14683:2019 durchgeführt und der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Die Maske wurde zwischen zwei Probenhaltern mit einem kreisförmigen Querschnitt von 4,9 cm2 und Luft befestigt mit einer festen Luftstromrate von 8 l/min durch die Maske geleitet. Der Atemwiderstand wurde durch Messung des Differenzdruckabfalls über das Maskenmaterial berechnet. Der Differenzdruck (DP) wurde in Pa cm−2 ausgedrückt. Die DP-Anforderungen für verschiedene Kategorien medizinischer Gesichtsmasken gemäß EN 14683:2019 sind in Tabelle 1 aufgeführt. BFE und DP liefern wertvolle Informationen zur Bewertung der einzelnen Maße der Maskenwirksamkeit. Die Abhängigkeit von BFE und DP liefert jedoch einen umfassenden Filterqualitätsfaktor (Q-Faktor in Pa−1) und ermöglicht einen robusteren Vergleich zwischen Filtermedien unter Verwendung der folgenden Gleichung:

Versuchsaufbau zur Bewertung des DP gemäß der Standardprüfmethode EN14683:2019.

Die mikroskopischen Analysen wurden mit einem Leica DM LB-Mikroskop mit einem C-Plan-Linsenmodell durchgeführt. Die Bilder wurden mit einer Bresser MikroCam SP 5.0 bei 4-facher Vergrößerung aufgenommen. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde an den Oberflächen der Masken mit einem JEOL JSM-6500F durchgeführt. Die Proben wurden mit doppelseitigem Kohlenstoffband auf einem Messingträger befestigt und mit 14 nm Gold (Quorom Q 150R ES) beschichtet. Die Bilder wurden mit einer Strahlbeschleunigungsspannung von 5 keV aufgenommen.

Das Waschen wurde mit einer Haushaltswaschmaschine (Candy Smart CSWS 4852DWE) durchgeführt. Nach dem Spülen und Schleudern (400 U/min) wurden die Masken an der Luft getrocknet. Die Masken wurden 10, 30 und 50 Mal gewaschen, um den Einfluss der Waschzyklen zu bewerten. Sie wurden auch bei 30 °C und 60 °C gewaschen, um den Einfluss der Wassertemperatur zu untersuchen, und schließlich wurde ein handelsübliches Waschmittel (X-Tra Total 3 + 1 Trio-Caps, Henkel Ltd) verwendet, um den Einfluss der Zugabe von a zu bestimmen Waschmittel.

Die Ergebnisse des BFE und des DP der zehn Community-Gesichtsmasken und der medizinischen Gesichtsmaske im unbenutzten Zustand sind in Abb. 2a, b und in der Ergänzungstabelle S2 (einschließlich Q-Faktor-Werten) dargestellt. Gemäß dem Standardverfahren EN 14683:2019 wurde nur das Material, aus dem die Masken bestehen, bewertet und Leckagen werden in dieser Studie nicht berücksichtigt. Die horizontalen gestrichelten Linien stellen die Leistungsanforderungen der EN 14683:2019 dar; für Typ IIR (≥ 98 % Sammeleffizienz und ≤ 60 Pa cm-2 Differenzdruck), Typ II (≥ 98 % Sammeleffizienz und ≤ 40 Pa cm-2 Differenzdruck) und Typ I (≥ 95 % Sammeleffizienz und ≤ 40 Pa cm−2 Differenzdruck).

(a) Bakterienfiltrationseffizienz (%) und (b) Differenzdruck (Pa·cm−2) für medizinische Gesichtsmasken und Community-Gesichtsmasken (Durchschnittswerte (N = 5) ± Standardabweichung). CFM entspricht Community-Gesichtsmasken, 2L entspricht 2 Schichten und 3L entspricht 3 Schichten.

Die Ergebnisse zeigten, dass alle Masken die Atmungsaktivitätsanforderung für die verschiedenen Kategorien medizinischer Gesichtsmasken (Typ I, Typ II und Typ IIR) erfüllten, mit Ausnahme einer Community-Gesichtsmaske (z. B. CFM-B-3L), die nicht den Anforderungen entsprach eine Maske vom Typ I oder Typ II, jedoch innerhalb der Konformitätsgrenze einer Maske vom Typ IIR. Die medizinische Gesichtsmaske hatte die höchste Filtereffizienz von 99 % und entsprach der Norm für medizinische Gesichtsmasken Typ II. Es gab eine Variabilität in der Filtrationseffizienz der Community-Gesichtsmasken, wobei der BFE zwischen 73 und 97 % lag. Nur zwei Community-Gesichtsmasken (d. h. CFM-A-2L und CFM-B-3L) hatten einen BFE von mehr als 95 %, die BFE-Anforderung für medizinische Gesichtsmasken vom Typ I. Alles in allem erfüllt jedoch nur ein CFM (d. h. CFM-A-2L) die Anforderungen an eine medizinische Gesichtsmaske vom Typ I, da die Atmungsaktivität von CFM-B-3L deutlich über dem DP-Grenzwert von 40 Pa cm−2 liegt. Schließlich zeigen die MFM einen Q-Faktor bei 60,1 kPa−1 und die CFMs im Bereich von 12,1–28,4 kPa−1 (siehe Tabelle S2). Dieses Ergebnis zeigt deutlich, dass ein Kompromiss zwischen dem BFE und der Atmungsaktivität bei der Herstellung gefunden werden muss Community-Gesichtsmasken mit hervorragenden Eigenschaften. Mit anderen Worten: Die größte technische Herausforderung für Hersteller besteht darin, Community-Gesichtsmasken mit hoher Filtereffizienz zu erhalten, ohne dabei die Atmungsaktivität zu beeinträchtigen.

Die Filtration von Aerosoltröpfchen mithilfe einer Gesichtsmaske wird durch mehrere Mechanismen gesteuert: Impaktion, Abfangen, Diffusion und elektrostatische Anziehung9,23. Der Beitrag jedes Mechanismus zur Filtrationseffizienz einer Gesichtsmaske hängt von den verwendeten Materialien (Unterschiede in der porösen Struktur), der Größe der Aerosoltröpfchen und den Betriebsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftfiltrationsgeschwindigkeit) ab. Bei Aerosoltröpfchen > 1 µm sind Impaktions- und Abfangmechanismen wichtiger. Für kleine Partikel < 0,1 µm ist die Diffusion durch Brownsche Bewegung der dominierende Mechanismus. Wenn das Maskenmaterial aufgeladen ist, tragen elektrostatische Kräfte zum Partikeleinfang bei, insbesondere bei Partikeln im MPPS-Bereich (Most Penetration Particle Size) von 0,1–0,5 µm (MPPS-Zone)24, bei dem kein Mechanismus vorherrscht. Bei der für die BFE erforderlichen durchschnittlichen Partikelgröße von 3 µm sind Impaktion und Abfangen die dominierenden Mechanismen.

Die Leistung der Community-Gesichtsmasken wird durch Stoffeigenschaften beeinflusst, die einflussreichsten Eigenschaften sind jedoch derzeit unklar25. Oberflächeneigenschaften des verwendeten Materials, wie die Porengrößenverteilung (im Bereich von 113–981 µm für CFMs) oder der Faserdurchmesser (im Bereich von 12–18 µm für CFMs), sind wichtige Parameter, die möglicherweise die Leistung der Masken beeinflussen26 . Die in der Ergänzungstabelle S3 bereitgestellten Ergebnisse der Porengrößenverteilung bei CFM und MFM zeigen perfekt, dass es schwierig ist, eine belastbare Korrelation herzustellen, obwohl ein offensichtlicher allgemeiner Trend darauf hinzudeuten scheint, dass die Filtrationseffizienz umso geringer ist, je höher die Porengröße ist Die Effizienz der Filtration lässt sich nur aus diesen Strukturparametern der Masken ermitteln. Außerdem ist für die Effizienz nicht nur die Porengröße, die für das Auffangen von Aerosolen verantwortlich ist, wichtig, insbesondere bei Masken aus Vliesstoff ist auch der Faserdurchmesser wichtig , wie es bei MFM der Fall ist. Abhängig von der Größe und Anzahl der Poren der aus geflochtenen Stoffen hergestellten Masken kann der Luftstrom beim Durchgang durch diese Poren zunehmen oder abnehmen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht oder nicht.

Die repräsentativen mikroskopischen Bilder der Community-Gesichtsmasken und der medizinischen Gesichtsmaske sind in Abb. 3 dargestellt. Der Kürze halber sind nur drei der 10 Community-Gesichtsmasken dargestellt. Faserige Filtermaterialien bestehen normalerweise aus Fasern, die auf verschiedene Arten angeordnet sind. Bei Vliesstoffen sind die Fasern zufällig ausgerichtet, während gewebte und gestrickte Materialien Garne (Faserbündel) enthalten, die miteinander verflochten sind27. Die Poren entstehen bei gewebten und gestrickten Stoffen in den Garnzwischenräumen, während sie bei Vliesfiltern durch kleine Zwischenräume zwischen einzelnen Fasern entstehen27. Die Zwischenräume zwischen den Garnen wurden als Poren für die Community-Gesichtsmasken betrachtet. Obwohl die Porenform und -größe in Community-Gesichtsmasken nicht einheitlich war, haben wir versucht, quantitative Informationen über die Größe der Poren zwischen den Garnen zu extrahieren, indem wir mit der ImageJ-Software die längste Abmessung jeder Pore zwischen den Garnen gemessen haben. Die Messungen lieferten eine Schätzung der Größe einer Pore zwischen den Garnen in jeder Community-Gesichtsmaske: etwa 150 μm, 330 μm und 900 μm für CFM-A-2L, CFM-E-3L und CFM-J-3L (Abb . 3 und Ergänzungstabelle S3). Dies könnte wahrscheinlich erklären, warum CFM-A-2L die höchste Filtrationseffizienz aufwies, während CFM-J-3L die niedrigste aufwies. Medizinische Gesichtsmasken bestehen in der Regel aus drei Schichten nicht gewebter Polypropylenfasern (Spunbound-, Meltblown- und Spunbound-Schichten). Die Porengröße der Meltblown-Schicht der medizinischen Gesichtsmaske wird auf etwa 20 μm28,29 geschätzt. Die im Vergleich zu anderen Community-Gesichtsmasken geringe Porengröße der Meltblown-Schicht könnte möglicherweise für die höhere Filtrationseffizienz verantwortlich sein.

Lichtmikroskopische Bilder der mikroskopischen Struktur von 3 Community-Gesichtsmasken und der medizinischen Gesichtsmaske. (4-fache Vergrößerung und roter Maßstabsbalken entsprechen 100 μm). Optische Mikroskopbilder aller CFMs finden Sie in der ergänzenden Abbildung S1.

Bei den in dieser Studie untersuchten CFMs war die Anzahl der Schichten der Maske nicht der einflussreichste Parameter. CFM-J-3L, eine 3-Schichten-Maske, hatte den niedrigsten BFE, während CFM-A-2L, eine 2-Schichten-Maske, den höchsten BFE aufwies. In diesem Fall scheint es, dass die Schichtung von Stoffen mit sehr hoher Porengröße nicht unbedingt den BFE oder DP verbessert.

Basierend auf den Ergebnissen (Abb. 2) können 4 Kategorien von Masken identifiziert werden:

Erstens entspricht die medizinische Gesichtsmaske mit einem hervorragenden BFE (> 98 % (Typ II)) und einem niedrigen DP (≤ 40 Pa cm−2) den Anforderungen für medizinische Gesichtsmasken des Typs II.

Die CFM-A-2L, die einen guten BFE (> 95 % (Typ I)) und einen niedrigen DP (< 40 Pa cm−2) aufweist, kann als medizinische Gesichtsmaske vom Typ I kategorisiert werden.

Die CFM-B-3L, die einen guten BFE (> 95 % (Typ I)), aber einen zu hohen DP (≈60 Pa cm−2) aufweist, kann aufgrund ihrer guten Filterung nicht als medizinische Gesichtsmaske vom Typ I eingestuft werden Effizienz wurde auf Kosten schlechter Atmungsaktivitätseigenschaften erzielt.

Und schließlich die 8 anderen Community-Gesichtsmasken, deren BFE gemäß den Anforderungen für medizinische Gesichtsmasken unzureichend war (70 % < BFE < 95 %) mit korrektem DP (< 40 Pa cm−2).

Um wirksam zu sein, muss eine Maske sowohl Partikel herausfiltern als auch das Atmen einer Person ermöglichen. Bei der Herstellung von Community-Gesichtsmasken muss in der Regel ein Kompromiss zwischen BFE und DP eingegangen werden, und in manchen Fällen geht ein hoher BFE auf Kosten eines hohen DP, was zu einer geringen Atmungsaktivität führt, wie bei CFM-B-3L zu sehen ist. Anhand der Ergebnisse der Community-Gesichtsmasken haben wir gezeigt, dass es möglich ist, Community-Gesichtsmasken zu haben, die eine ähnliche Leistung wie eine medizinische Gesichtsmaske haben. Tatsächlich erfüllte von unserem Panel von 10 Community-Gesichtsmasken nur eine die BFE- und DP-Anforderungen einer medizinischen Gesichtsmaske des Typs I, konnte jedoch nicht die Anforderungen des Typs II wie die in dieser Studie ausgewählten medizinischen Gesichtsmasken erfüllen. Community-Gesichtsmasken sind zum Waschen bestimmt. Da sich dadurch die Leistung verändern kann, versucht der nächste Teil der Studie, den Einfluss der Waschparameter zu bewerten. Es wurden nur die Community-Gesichtsmasken ausgewählt und mit der medizinischen Gesichtsmaske verglichen, die die BFE-Anforderungen für einen Typ I erfüllten (CFM-A-2L, CFM-B-3L).

Erstens konzentrieren wir uns nur auf die in der Norm EN 14683:2019 geforderten Parameter (z. B. BFE und DP) und müssen betonen, dass die Gesichtsanpassung der Masken vor und nach dem Waschen nicht getestet wurde. Es ist bekannt, dass Undichtigkeiten der Gesichtsdichtung einen stärkeren Einfluss auf die Aerosol- und Bakterienexposition des Trägers haben können als die Filtrationseffizienz, und dass sich Form und Gesichtssitz einer Maske nach kräftigem Waschen und Schleudern der Maske ändern können. Wir möchten jedoch darauf hinweisen, dass die in dieser Studie verwendeten Masken im Gegensatz zu anderen Arten von Gesichtsmasken wie FFP2- oder KN95-Atemschutzmasken naturgemäß nicht dafür ausgelegt sind, „eng“ getragen zu werden. Daher ist die Gesichtsanpassung medizinischer Masken keine Eigenschaft, die in der Norm EN 14683:2019 vorgeschrieben ist (die chirurgische Maske ist nicht so konzipiert, dass sie perfekt dicht ist). Daher gibt es kein anerkanntes Regulierungsprotokoll zur Messung dieser Eigenschaft an chirurgischen Masken (im Gegensatz zum Standard für FFP-Atemschutzmasken).

Um die Wirkung der Waschzyklen zu bewerten, wurden die Masken 10, 30 und 50 Mal bei 60 °C mit dem Waschmittel gewaschen. Die Ergebnisse von BFE und DP sind in Abb. 4 dargestellt. Aus der Grafik (Abb. 4b) geht hervor, dass das Waschen keinen signifikanten Einfluss auf den Differenzdruck der medizinischen Gesichtsmaske und der Community-Gesichtsmasken hatte.

Einfluss der Waschzyklen auf: (a) Bakterienfiltrationseffizienz (%) und (b) Differenzdruck (Pa cm−2) auf die medizinische Gesichtsmaske und die Community-Gesichtsmasken. Durchschnittswerte (N = 5) ± Standardabweichung.

Was die Community-Gesichtsmasken betrifft, so hatten die Waschzyklen keinen nennenswerten Einfluss auf den BFE und so konnten sie ihre Leistung bis zu 50 Wäschen lang aufrechterhalten. Dies steht im Einklang mit einer früheren Studie von Sankhyan et al.30, die feststellten, dass Gemeinschaftsgesichtsmasken 52-mal ohne nennenswerten Verlust der Partikelfiltrationseffizienz gewaschen werden konnten. Bei der medizinischen Gesichtsmaske sank der BFE beim Waschen der Masken um 1 %, der DP blieb jedoch bis zu 50 Wäschen konstant. Alcaraz et al.17 beobachteten ebenfalls einen leichten Rückgang des BFE von medizinischen Gesichtsmasken beim Waschen, kamen jedoch zu dem Schluss, dass sie bis zu zehn Mal gewaschen werden konnten, ohne dass sich die Filter- oder Atmungsaktivitätseigenschaften weiter verschlechterten. Der Grund für den Leistungsabfall beim Waschen der medizinischen Gesichtsmaske ist der Verlust elektrostatischer Ladungen, der im Abschnitt „Einfluss der Verwendung von Reinigungsmitteln auf die Leistung der Masken“ erläutert wird.

REM-Bilder der neuen und gewaschenen medizinischen Gesichtsmaske (schmelzgeblasene Schicht) und der Community-Gesichtsmasken sind in Abb. 5 dargestellt. Die neuen Community-Gesichtsmasken zeigten Faserbündel (Garne), die insgesamt intakt waren und eine relativ glatte Textur hatten. Nach 10 Wäschen kam es zu einer gewissen Freisetzung einzelner Fasern aus den Faserbündeln und zu einer gewissen Dekonstruktion der einzelnen Fasern, die nach 50 Wäschen leicht zunahm (Abb. 5a, b). Dies schien jedoch keinen Einfluss auf die Leistung der Masken zu haben, da die Faserbündel trotz der Befreiung und Dekonstruktion insgesamt intakt blieben. Bei der medizinischen Gesichtsmaske wiesen nur sehr wenige Meltblown-Fasern Brüche auf (Abb. 5c).

REM-Bilder (200-fache Vergrößerung und Maßstabsbalken entsprechen 100 μm) von: (a) CFM-A-2L, (b) CFM-B-3L, (c) schmelzgeblasener Schicht der medizinischen Gesichtsmaske; für die neuen und gewaschenen Masken, die einer unterschiedlichen Anzahl von Waschzyklen unterzogen wurden.

Der Einfluss der Waschtemperatur auf die Leistung der Masken wurde untersucht, indem die Temperatur bei 30 °C und 60 °C variiert wurde, während die Anzahl der Waschzyklen bei 10 gehalten wurde und für jeden Waschgang Waschmittel verwendet wurde. Die Ergebnisse von BFE und DP für die Masken sind in Abb. 6a, b dargestellt.

Einfluss der Waschtemperatur auf (a) Bakterienfiltrationseffizienz (%) und (b) Differenzdruck (Pa·cm−2) für die medizinische Gesichtsmaske und die Community-Gesichtsmasken Durchschnittswerte (N = 5) ± Standardabweichung.

Bei den Community-Gesichtsmasken schien die Temperatur keinen großen Einfluss auf deren Leistung (BFE und Atmungsaktivität) zu haben. Die REM-Bilder (siehe ergänzende Abb. S2a, b) zeigten ähnliche Dekonstruktionsniveaus der gewaschenen Fasern, was eher darauf zurückzuführen ist, dass die Maske zehnmal gewaschen wurde, als auf die Temperatur. Die Faserbündel waren in allen Fällen insgesamt intakt.

Bei der medizinischen Gesichtsmaske war ein Rückgang des BFE der gewaschenen Masken im Vergleich zur neuen Maske zu verzeichnen, die Waschtemperatur schien jedoch keinen Einfluss auf den BFE zu haben. Die schmelzgeblasene Schicht der medizinischen Gesichtsmaske wird durch den Koronaeffekt elektrostatisch aufgeladen, um die Effizienz der Partikelsammlung zu erhöhen. Die Ladungsstabilität kann durch die Temperatur beeinflusst werden. Liu et al.31 unterwarfen die schmelzgeblasene Elektretschicht einer Wärmebehandlung bei mehreren Temperaturen zu unterschiedlichen Zeiten (1–24 Stunden) und stellten fest, dass unter 70 °C die Auswirkung auf die Filtrationseffizienz bis zu 24 Stunden nach der Behandlung minimal war, bei steigender Temperatur jedoch minimal war auf 90 oder 110 °C erhöht wurde, nahm die Filtrationseffizienz mit zunehmender Behandlungszeit deutlich ab. Sie führten dies auf die Tatsache zurück, dass höhere Temperaturen zu einem stärkeren Entweichen/Verlust von Ladung führten, was anschließend zu einer Verringerung des elektrostatischen Effekts führte. Die in dieser Arbeit untersuchten Temperaturen waren nicht hoch genug, um die Ladungsstabilität der Elektretschicht zu beeinflussen, und könnten erklären, warum es keinen Einfluss auf die BFE gab. REM-Bilder (siehe ergänzende Abbildung S2c) zeigen auch, dass die Temperatur keinen Einfluss auf die Fasermorphologie hatte. Schließlich wurde auch der DP der medizinischen Gesichtsmaske nicht durch die Temperaturänderung beeinflusst.

Die Masken wurden 10 Mal bei 60 °C mit und ohne Reinigungsmittel gewaschen, um den Einfluss der Verwendung von Reinigungsmitteln auf ihre Leistung zu bestimmen. Die Ergebnisse von BFE und DP sind in Abb. 7a, b dargestellt.

Einfluss des Reinigungsmittels auf (a) die Bakterienfiltrationseffizienz (%) und (b) den Differenzdruck (Pa·cm−2) für die medizinische Gesichtsmaske und die Community-Gesichtsmasken. Durchschnittswerte (N = 5) ± Standardabweichung.

Das Vorhandensein des Reinigungsmittels schien keinen wesentlichen Einfluss auf BFE und DP der Community-Gesichtsmasken zu haben. Die SEM-Analyse (siehe ergänzende Abbildung S3a, b) zeigte auch, dass die Fasermorphologie durch die Verwendung eines Waschmittels nicht wesentlich beeinflusst wurde und die Dekonstruktion der Fasern wiederum auf die Anzahl der Waschzyklen zurückzuführen war. Die Fasermorphologie der medizinischen Gesichtsmaske wurde auch durch die Verwendung eines Reinigungsmittels nicht wesentlich beeinflusst, wie in der ergänzenden Abbildung S3c gezeigt.

Bei den medizinischen Gesichtsmasken war der BFE der ohne Reinigungsmittel gewaschenen Maske ähnlich dem der neuen Maske, jedoch verringerte sich der BFE, wenn die Maske mit dem Reinigungsmittel gewaschen wurde. Dies zeigt, dass das Vorhandensein des Detergens wahrscheinlich für den BFE-Verlust der medizinischen Gesichtsmaske verantwortlich ist. Die im Waschmittel enthaltenen Waschmittel neigen dazu, sich an der Oberfläche zu binden und einen Verlust elektrostatischer Ladungen der Elektret-Meltblown-Schicht zu verursachen32,33,34,35. Diese Beobachtung wurde auch von Charvet et al.16 und Alcaraz et al.17 hervorgehoben. Die Verringerung der Effizienz wurde nur für Submikron-Partikel (Prallplatten-Sammelgröße zwischen 1,1 und 0,65 μm) beobachtet, wie in Abb. 8 dargestellt. Trägheitsimpaktion und/oder direktes Abfangen sind die vorherrschenden Partikeleinfangmechanismen für Partikel > 1 μm, aber für Submikron-Partikel Partikelgrößen spielen andere Mechanismen, insbesondere der elektrostatische Mechanismus, eine wichtige Rolle.

Einfluss unterschiedlicher Waschbedingungen auf die spektrale Bakterienfiltrationseffizienz (%) der medizinischen Gesichtsmaske Durchschnittswerte (N = 5) ± Standardabweichung.

Der Verlust der elektrostatischen Wirkung könnte wahrscheinlich auf das Vorhandensein kationischer Tenside in Weichspülern zurückzuführen sein. Diese Verbindungen, insbesondere Esterquats, besitzen ausgezeichnete antistatische Eigenschaften und werden zur Verhinderung der Ansammlung statischer Aufladungen eingesetzt. Somit haben die Bestandteile des Reinigungsmittels sicherlich einen starken Einfluss auf die Verschlechterung der Filtrationseffizienz. Daher verringert der durch das Reinigungsmittel verursachte Verlust elektrostatischer Ladungen tendenziell die Filtrationseffizienz für die Submikronpartikel. Charvet et al.16 und Alcaraz et al.17 ahmten den Verlust der Elektretwirkung nach, indem sie eine medizinische Gesichtsmaske in Isopropanol entluden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die spektrale Filtereffizienz einer durch Eintauchen in Isopropanol entladenen Maske der einer gewaschenen Maske ähnelte.

Die jüngste COVID-19-Pandemie hat weltweit zu einer steigenden Nachfrage nach der Verwendung von Gesichtsmasken geführt. Aufgrund der Engpässe in den frühen Stadien der Pandemie und der Auswirkungen auf die Umwelt, die das Ende ihrer Lebensdauer von medizinischen Einweg-Gesichtsmasken mit sich bringt, ist die Wiederverwendbarkeit dieser Masken und die Verwendung wiederverwendbarer Community-Gesichtsmasken von Interesse.

Mit Ausnahme einer Community-Gesichtsmaske (z. B. CFM-B-3L, die innerhalb der Konformitätsgrenze einer medizinischen Gesichtsmaske vom Typ IIR lag) erfüllten alle getesteten Masken die Atmungsaktivitätsanforderung für die Kategorien Typ I und Typ II Medizinische Gesichtsmasken (d. h. DP < 40 Pa cm−2). Die medizinische Gesichtsmaske hatte den höchsten BFE von 99 % und entsprach der Norm für medizinische Gesichtsmasken Typ II. Im Gegensatz dazu gab es eine Variabilität beim BFE der Community-Gesichtsmasken, wobei der BFE zwischen 73 und 97 % lag. Nur zwei Community-Gesichtsmasken (d. h. CFM-A-2L und CFM-B-3L) hatten einen BFE von mehr als 95 % (BFE-Wert, der einer medizinischen Gesichtsmaskenpflicht vom Typ I entspricht). Die Variabilität der Leistung der Masken, insbesondere der Community-Gesichtsmasken, wurde auf die Stoffeigenschaften, insbesondere die Porengröße, zurückgeführt.

Die Ergebnisse der Community-Gesichtsmasken zeigen deutlich, dass es trotz eines Kompromisses zwischen BFE und Atmungsaktivität möglich ist, Community-Gesichtsmasken zu haben, deren Leistung denen medizinischer Gesichtsmasken vom Typ I (z. B. CFM-B) ähnelt. 3L).

Um den Einfluss der Waschparameter zu bewerten, wurden nur die Masken ausgewählt, die die BFE-Anforderungen für medizinische Gesichtsmasken vom Typ I (CFM-A-2L, CFM-B-3L) erfüllten, und mit der medizinischen Gesichtsmaske verglichen. Sie wurden 10, 30 und 50 Mal gewaschen und getrocknet, bei 60 °C und 30 °C, mit und ohne Waschmittel.

Obwohl die medizinische Gesichtsmaske immer noch den BFE- und DP-Anforderungen für eine Typ-II-Maske entspricht, führte das Waschen zu einem leichten Rückgang des BFE (ca. 1 %). Es wurde beobachtet, dass das Vorhandensein des Detergens für diese Abnahme verantwortlich war und dass es lediglich die Sammeleffizienz der Submikronpartikel aufgrund des Verlusts elektrostatischer Ladungen der schmelzgeblasenen Schicht beeinträchtigte. Das Waschen und Wiederverwenden medizinischer Gesichtsmasken kann eine Lösung sein, um die Versorgungs- und Umweltauswirkungen medizinischer Gesichtsmasken in Pandemiesituationen zu bewältigen. Sofern die medizinischen Gesichtsmasken in gutem Zustand bleiben und bequem getragen werden können, können sie in nichtmedizinischen Umgebungen bis zu 50 Mal verwendet werden, ohne dass ihre Bakterienfiltrationseffizienz und Atmungsaktivität wesentlich beeinträchtigt wird.

Bei den Community-Gesichtsmasken hatten die verschiedenen Parameter keinen Einfluss auf BFE und DP. Obwohl während der REM-Analyse eine leichte Freisetzung und Dekonstruktion der Fasern beobachtet wurde, waren die Fasergarne insgesamt intakt. Daher können die CFMs ohne nennenswerten Leistungsverlust mehrmals gewaschen und wiederverwendet werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass, obwohl die medizinische Gesichtsmaske vom Typ II die effizienteste war, basierend auf unserem Panel von 10 Community-Gesichtsmasken, 10 % eine Leistung haben (wie neu und nach dem Waschen), die mit einer medizinischen Standard-Gesichtsmaske vom Typ I vergleichbar ist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren möchten dem technischen Team der Abteilung für Energiesysteme und Umwelt (DSEE) des IMT Atlantique und der Abteilung für biologische Materialien und inhalierte Partikel (BioPI) von Mines Saint Etienne für jegliche technische Hilfe danken. Wir danken Nicolas Curt für die Herstellung des Versuchsaufbaus zur Atmungsaktivität. Wir danken auch Mathilde Escot für ihre Hilfe beim Waschen der Masken.

Die Autoren danken Saint-Etienne Métropole und IMT (Institut Mines-Télécom) für die finanzielle Unterstützung.

Mines Saint-Etienne, INSERM, U 1059 Sainbiose, CIS Center, Universität Lyon, Jean-Monnet-Universität, 42023, Saint-Étienne, Frankreich

Henrietta Essie Whyte, Lara Leclerc, Gwendoline Sarry und Jérémie Pourchez

IMT Atlantique, CNRS, GEPEA, UMR 6144, 4 rue Alfred Kastler, 44307, Nantes, Frankreich

Henrietta Essie Whyte, Aurélie Joubert & Laurence Le Coq

CIRI (International Centre for Research in Infectiology), GIMAP Team, INSERM, U1111, CNRS UMR5308, ENS de Lyon, UCB Lyon 1, Universität Lyon, Universität St-Etienne, Saint-Étienne, Frankreich

Paul Verhoeven

Labor für Infektionserreger und Hygiene, Universitätsklinikum St-Etienne, Saint-Étienne, Frankreich

Paul Verhoeven

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PV und JP haben die Bakterienfiltrationsexperimente entworfen. HW führte die Experimente durch und schrieb das Manuskript, und alle Autoren trugen zur Rezension des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Jérémie Pourchez.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Whyte, HE, Joubert, A., Leclerc, L. et al. Einfluss der Waschparameter auf die Effizienz der Bakterienfiltration und die Atmungsaktivität von Gesichtsmasken für den öffentlichen und medizinischen Bereich. Sci Rep 12, 15853 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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Eingegangen: 06. Mai 2022

Angenommen: 12. September 2022

Veröffentlicht: 23. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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