COVID-19: La seta si comporta in modo simile alle maschere chirurgiche se utilizzata in combinazione con i respiratori

“Il cotone trattiene l’umidità come una spugna. Ma la seta è traspirante. È più sottile del cotone e si asciuga molto velocemente “, ha detto Guerra.

Con il COVID-19 in aumento in alcune parti degli Stati Uniti, le maschere per il viso sono diventate un punto focale di prevenzione.

Nel laboratorio di biologia della UC, i ricercatori hanno testato il tessuto di cotone e poliestere insieme a diversi tipi di seta per vedere quanto sia efficace ciascuna barriera per respingere l’acqua, rappresentando le goccioline respiratorie contenenti il ​​virus.

Hanno scoperto che la seta ha funzionato molto meglio come barriera contro l’umidità rispetto al poliestere o al cotone, entrambi assorbono rapidamente le goccioline d’acqua.

Lo studio di UC ha concluso che la seta si comporta in modo simile alle maschere chirurgiche se utilizzata in combinazione con i respiratori, ma ha i vantaggi aggiuntivi di essere lavabile e respingere l’acqua, il che si tradurrebbe nell’aiutare a mantenere una persona più al sicuro dal virus atmosferico.

“L’ipotesi in corso è che il coronavirus si trasmetta attraverso le goccioline respiratorie”, ha detto Guerra. “Se indossassi strati di seta, impedirebbe alle goccioline di penetrare e di essere assorbite.

Recenti lavori di altri ricercatori hanno anche scoperto che l’aumento degli strati di seta migliora l’efficienza di filtrazione. Ciò significa che il materiale di seta può respingere e filtrare le goccioline. E questa funzione migliora con il numero di strati. “

Lo studio è stato pubblicato questo mese sulla rivista  PLOS ONE .

“Stiamo cercando di affrontare questo problema critico. Gli operatori sanitari non hanno ancora sufficienti dispositivi di protezione individuale, vale a dire respiratori N95 o maschere chirurgiche di base “, ha detto Guerra.

In precedenza, Guerra ha studiato la neurobiologia dietro l’incredibile migrazione multigenerazionale delle farfalle monarca attraverso il Nord America. Ora gli studenti della UC allevano falene della seta ( Bombyx mori ) nel laboratorio di biologia di Guerra.

Il ricercatore post-dottorato della UC Adam Parlin ha scritto un manuale di istruzioni per la cura e l’alimentazione delle falene che ha intitolato “How to Train Your Bombyx”, un riff sui film animati sui draghi della DreamWorks.

La copertina presenta un’immagine della falena adulta. Con la sua grande testa, gli occhi enormi e le ali aperte, la falena di seta assomiglia davvero a una furia notturna dei film.

“Questi ragazzini sono divertenti”, ha detto.

Come parte della sua ricerca, Parlin ha studiato come i bruchi creano i loro bozzoli di seta protettivi. Quando raggiungono un punto del loro ciclo di vita, i bruchi diventano maniaci del lavoro.

Per 72 ore consecutive girano e filano la loro seta per creare una fortezza lussuosa e traspirante dove possono diventare pupe in sicurezza in una falena bianca sfocata.

I ricercatori hanno creato arene di cartone con un tassello di legno al centro su cui i bruchi possono far girare i loro bozzoli di seta. I bruchi lavorano in modo metodico e continuo, inizialmente filando la seta dalla parte superiore del tassello ad angolo rispetto al cartone come una tenda. Una volta che la tenda è finita, lavorano seriamente per costruire il loro bozzolo delle dimensioni di un’uva in un angolo di esso.

Un video in time-lapse mostra un baco da seta che costruisce un bozzolo in 72 ore. Credito: Adam Parlin

“Se il bozzolo viene danneggiato, creano solo un secondo strato attorno ad esso”, ha detto Parlin.

Il bozzolo che cattura l’umidità fornisce un microclima ideale per mantenere felici i bruchi nonostante eventuali cambiamenti improvvisi del tempo.

“I bozzoli di seta impediscono all’umidità di entrare e impedisce all’animale di essiccarsi o seccarsi”, ha detto Guerra.

Ora Guerra sta indagando per quanto tempo il virus sopravvive sulla seta e altri materiali.

Poiché la carenza di dispositivi di protezione individuale continua ad affliggere gli operatori sanitari, Guerra ha detto che le maschere fatte in casa continueranno a svolgere un ruolo importante nel mantenere le persone al sicuro dal COVID-19.

“La seta è con noi da un po ‘, dai tempi della Via della Seta”, ha detto Guerra. “Non è un nuovo tessuto, ma ora stiamo trovando tutti questi nuovi usi.”

---

L’uso di maschere di stoffa, molte delle quali fatte in casa, 1,2 è diventato ampiamente diffuso in risposta all’epidemia di SARS-CoV-2 del 2019-2020, in cui il virus può essere trasmesso tramite goccioline respiratorie.3−6 L’uso di tali maschere è anche una risposta anticipata dell’opinione pubblica di fronte a future pandemie legate alle vie respiratorie.

Tuttavia, i dati disponibili oggi sono limitati sulle prestazioni dei comuni materiali in tessuto utilizzati in tali maschere in tessuto, 7-12 in particolare le loro efficienze di filtrazione in funzione delle diverse dimensioni di aerosol che vanno da ∼10 nm a ∼10 μm di scala.

Questo è anche di importanza attuale in quanto l’efficacia relativa delle diverse dimensioni delle goccioline nel trasmettere il virus SARS-CoV-2 non è chiara, ed è quindi importante comprendere la risposta di filtrazione attraverso un’ampia distribuzione delle dimensioni tra parentesi.

In questo documento, riportiamo i risultati di esperimenti in cui misuriamo l’efficienza di filtrazione di un numero di tessuti comuni, nonché combinazioni selettive per l’uso come maschere di tessuto ibride, in funzione delle dimensioni dell’aerosol che vanno da ∼10 nm a 6 μm. Questi includono il cotone, il tessuto più utilizzato nelle maschere di stoffa, così come le fibre di tessuto che possono essere caricate elettrostaticamente, come la seta naturale.

Le goccioline respiratorie possono essere di varie dimensioni17,18 e sono comunemente classificate come aerosol (costituiti da goccioline <5 μm) e goccioline che sono maggiori di 5 μm.3 Sebbene il destino di queste goccioline dipenda in gran parte da fattori ambientali come l’umidità, temperatura, ecc., in generale, le goccioline più grandi si depositano a causa della gravità e non percorrono distanze superiori a 1-2 m.19 Tuttavia, gli aerosol rimangono sospesi nell’aria per periodi più lunghi a causa delle loro piccole dimensioni e svolgono un ruolo chiave nel diffusione dell’infezione. 14-16

L’uso di barriere fisiche come le maschere respiratorie può essere molto efficace nel mitigare questa diffusione attraverso le goccioline respiratorie.20-22 La filtrazione degli aerosol segue cinque meccanismi di base: sedimentazione per gravità, impatto inerziale, intercettazione, diffusione e attrazione elettrostatica.23,24

Per aerosol più grandi da ∼1 μm a 10 μm, i primi due meccanismi giocano un ruolo, dove l’energia balistica o le forze di gravità sono l’influenza primaria sulle grandi goccioline espirate. Quando la dimensione dell’aerosol diminuisce, la diffusione mediante movimento browniano e l’intercettazione meccanica delle particelle da parte delle fibre del filtro è un meccanismo predominante nell’intervallo da 100 nm a 1 μm.

Per le particelle di dimensioni nanometriche, che possono facilmente scivolare tra le aperture della rete di fibre del filtro, l’attrazione elettrostatica predomina nella rimozione delle particelle di piccola massa che vengono attratte e si legano alle fibre. I filtri elettrostatici sono generalmente più efficienti a basse velocità come la velocità incontrata respirando attraverso una maschera facciale

Sono stati riportati alcuni studi sull’uso di maschere facciali in tessuto principalmente durante o dopo la pandemia influenzale nel 2009; 8-12,26 Tuttavia, mancano ancora informazioni che includano (i) le prestazioni di vari tessuti come funzione della dimensione delle particelle dalla nanoscala alla dimensione del micron (particolarmente importante perché copre la scala delle dimensioni da ∼10 nm a ∼5 μm per gli aerosol) e (ii) l’effetto degli approcci multistrato ibridi per maschere che possono combinare i vantaggi di diversi filtri meccanismi attraverso diversi intervalli di dimensioni degli aerosol.9,26

Questi sono stati gli obiettivi del lavoro sperimentale descritto in questo documento. Inoltre, segnaliamo anche l’importanza della vestibilità (che porta a lacune) durante l’utilizzo della maschera facciale. 27,28

L’apparato sperimentale (vedi Figura Figura 11) è costituito da una camera di generazione e miscelazione di aerosol e da una camera di raccolta a valle. L’aria fluisce dalla camera di generazione alla camera di raccolta attraverso il campione di tessuto che è montato su un tubo che collega le due camere. Le particelle di aerosol vengono generate utilizzando un generatore di aerosol commerciale di cloruro di sodio (NaCl) (generatore di particelle TSI, modello 8026), producendo particelle nell’intervallo da poche decine di nanometri a circa 10 μm.

Il test basato su aerosol NaCl è ampiamente utilizzato per testare i respiratori facciali in conformità con il protocollo di test NIOSH 42 CFR Part 84.29,30 Per determinare le dimensioni e le concentrazioni delle particelle vengono utilizzati due diversi analizzatori di particelle: un misuratore di nanoparticelle TSI Nanoscan SMPS (Nanoscan, modello # 3910) e un misuratore di particelle ottiche TSI (OPS, modello # 3330) per misurazioni nella gamma da 10 a 300 nm e da 300 nm a 6 μm, rispettivamente.

Le particelle vengono generate a monte del campione di tessuto, le cui proprietà di filtrazione devono essere testate, e l’aria viene aspirata attraverso il tessuto utilizzando una ventola che può essere controllata per variare la portata d’aria. L’area effettiva del campione di tessuto durante i test era di ∼59 cm2. Le misurazioni della dimensione e della distribuzione delle particelle sono state effettuate campionando l’aria a una distanza di 7,5 cm a monte e 15 cm a valle del campione di tessuto.

Le pressioni differenziali e le velocità dell’aria sono state misurate utilizzando un manometro digitale TSI (modello # AXD620) e un anemometro TSI a filo caldo (modello # AVM410). La pressione differenziale (ΔP) attraverso il materiale campione è un indicatore del comfort e della traspirabilità del materiale quando viene utilizzato come maschera facciale.

I test sono stati eseguiti a due diversi flussi d’aria: 1,2 e 3,2 CFM, rappresentativi delle frequenze respiratorie a riposo (∼35 L / min) e durante uno sforzo moderato (∼90 L / min), rispettivamente.32

L’effetto degli spazi tra il contorno del viso e la maschera causati da un adattamento improprio influenzerà l’efficienza di qualsiasi maschera facciale.21,27,28,33 Ciò è di particolare rilevanza per i tessuti e le maschere chirurgiche che vengono utilizzate dal pubblico e che generalmente non sono “montati”, a differenza delle maschere N95 o dei respiratori elastomerici.

Uno studio preliminare di questo effetto è stato esplorato praticando fori (simmetricamente) nel tubo di collegamento su cui è montato il tessuto (o un N95 o maschera chirurgica). I fori, in prossimità del campione (Figura 11), hanno prodotto aperture dell’area ∼0,5-2% dell’area attiva del campione. Questo, quindi, rappresentava la “fuoriuscita” dell’aria intorno alla maschera.

Sebbene le specifiche di trasmissione dettagliate del virus SARS-CoV-2 non siano ancora ben comprese, le goccioline inferiori a 5 μm sono considerate la fonte primaria di trasmissione in un’infezione respiratoria, 13,15,34 e le goccioline inferiori a 1 μm tendono rimanere nell’ambiente sotto forma di aerosol per periodi più lunghi fino a 8 ore. 19

È stato dimostrato che le goccioline di aerosol contenenti il ​​virus SARS-CoV-2 rimangono sospese nell’aria per ∼3 ore.13,35 Abbiamo quindi mirato le nostre misurazioni sperimentali nell’importante intervallo di dimensioni delle particelle tra ∼10 nm e 6 μm.

Abbiamo testato le prestazioni di oltre 15 tessuti naturali e sintetici che includevano materiali come cotone con diversi titoli di filo, seta, flanella e chiffon.

L’elenco completo è fornito nella sezione Materiali e metodi. Per confronto, abbiamo anche testato un respiratore N95 e maschere chirurgiche. Inoltre, a seconda dei casi, abbiamo testato l’efficienza di più strati di un singolo tessuto o una combinazione di più tessuti per maschere di tessuto ibride al fine di esplorare combinazioni di filtraggio fisico e filtraggio elettrostatico.

Risultati e discussione
Determiniamo l’efficienza di filtrazione di un particolare panno in funzione della dimensione delle particelle (Figura 22) misurando la concentrazione delle particelle a monte, Cu (Figura 22a, b) e la concentrazione della particella a valle, Cd ( Figura Figura 22c, d). Le concentrazioni sono state misurate negli intervalli di dimensioni di 10–178 nm (utilizzando lo strumento nanoscan) e da 300 nm a 6 μm (utilizzando lo strumento di misurazione delle particelle ottiche).

L’esempio rappresentativo nella Figura Figura22 mostra il caso di un singolo strato di tessuto di seta, in cui le misurazioni di Cu e Cd sono state eseguite a una portata di 1,2 CFM. Seguendo la procedura descritta nella sezione Materiali e metodi, abbiamo quindi stimato l’efficienza di filtrazione di un panno da Cu e Cd in funzione della dimensione delle particelle di aerosol.

I risultati riportati nella Figura Figura 33a sono le efficienze di filtrazione per il cotone (il materiale più comune utilizzato nelle maschere di tessuto) con conteggi di fili diversi (valutati in fili per pollice – TPI – e rappresentativi della ruvidità o finezza del tessuto).

Confrontiamo un cotone trapuntato con numero di fili moderato (80 TPI) (spesso usato nelle maschere fai-da-te) con un campione di tessuto di cotone alto (600 TPI). Inoltre, abbiamo anche misurato la trasmissione attraverso una trapunta di cotone tradizionale in cui due lenzuola di cotone trapuntate da 120 TPI racchiudono un’imbottitura di ∼0,5 cm (90% cotone – 5% poliestere – 5% altre fibre).

Confrontando i due fogli di cotone con conteggi di fili diversi, il cotone 600 TPI è chiaramente superiore con un’efficienza> 65% a <300 nm e un’efficienza> 90% a> 300 nm, il che implica che può essere preferibile un tessuto di cotone più stretto.

In confronto, il cotone 80 TPI monostrato non funziona altrettanto bene, con efficienze che variano da ∼5 a ∼55% a seconda della dimensione delle particelle su tutta la gamma. La trapunta, un materiale domestico comunemente disponibile, con un’ovatta di cotone fibroso forniva anche un’eccellente filtrazione su tutta la gamma di dimensioni delle particelle (> 80% per <300 nm e> 90% per> 300 nm).

Le interazioni elettrostatiche sono comunemente osservate in vari tessuti naturali e sintetici.36,37 Ad esempio, i tessuti in poliestere possono trattenere più carica statica rispetto alle fibre naturali o al cotone a causa delle loro proprietà di assorbimento dell’acqua inferiori.36 ​​Il filtraggio elettrostatico degli aerosol è stato ben studiato .38

Di conseguenza, abbiamo studiato tre tessuti che si prevede possiedano un valore di scarica elettrostatica moderata: seta naturale, chiffon (poliestere-spandex) e flanella (cotone-poliestere) .36

I risultati per questi sono mostrati nella Figura Figura 33b. Nel caso della seta, abbiamo effettuato misurazioni attraverso uno, due e quattro strati di tessuto poiché le sciarpe di seta sono spesso avvolte in più strati attorno al viso (i risultati per due strati di seta sono presentati nella Figura S1 (Informazioni di supporto) e omesso da questa figura).

In tutti questi casi, le prestazioni nel filtraggio di particelle nanometriche <300 nm sono superiori alle prestazioni nell’intervallo da 300 nm a 6 μm e particolarmente efficaci al di sotto di ∼30 nm, in linea con le aspettative dagli effetti elettrostatici di questi materiali. L’aumento del numero di strati (come mostrato per la seta nella Figura Figura 33b), come previsto, migliora le prestazioni. Abbiamo eseguito ulteriori esperimenti per convalidare ciò utilizzando cotone e chiffon 600 TPI (Figura S1).

Notiamo che le prestazioni di un composito di seta a quattro strati offrono un’efficienza di filtrazione> 80% su tutta la gamma, da 10 nm a 6 μm.

Nella Figura Figura 44a, combiniamo l’efficacia dell’aerosol di dimensioni nanometriche (per seta, chiffon e flanella) e la vestibilità (di seta e chiffon a causa della loro natura pura) con le alte prestazioni complessive del cotone 600 TPI per esaminare le prestazioni di filtrazione di approcci ibridi. Abbiamo effettuato misurazioni per tre varianti: combinando uno strato di cotone 600 TPI con due strati di seta, due strati di chiffon e uno strato di flanella.

I risultati vengono anche confrontati con le prestazioni di una maschera N95 standard. Tutte e tre le combinazioni ibride hanno dato buoni risultati, superando l’80% di efficienza nell’intervallo <300 nm e> 90% nell’intervallo> 300 nm. Questi ibridi in tessuto sono leggermente inferiori alla maschera N95 sopra i 300 nm, ma superiori per le particelle più piccole di 300 nm.

I respiratori N95 sono progettati e progettati per catturare più del 95% delle particelle che sono superiori a 300 nm, 39,40 e quindi, la loro prestazione insufficiente nel filtrare particelle inferiori a 300 nm non è sorprendente.

È importante notare che nella situazione realistica di maschere indossate sul viso senza guarnizioni elastomeriche (come il panno comunemente disponibile e le maschere chirurgiche), la presenza di spazi tra la maschera e i contorni del viso si tradurrà in una riduzione delle “perdite” l’efficacia delle maschere.

È ben noto che la “vestibilità” è un aspetto critico di una maschera ad alte prestazioni.27,28,33,41 I ricercatori precedenti hanno tentato di esaminare questo qualitativamente in stoffa e altre maschere attraverso il feedback sulla “vestibilità” da prove umane. 11,12 Nel nostro caso, abbiamo effettuato un esame preliminare di questo effetto mediante l’uso di fori incrociati sul tubo che tiene il materiale della maschera (vedi Figura Figura 11) che rappresenta la perdita d’aria.

Ad esempio, nella Figura Figura 44b, confrontiamo le prestazioni della maschera chirurgica e del campione ibrido cotone / seta con e senza un foro che rappresenta circa ∼1% dell’area della maschera. Mentre la maschera chirurgica fornisce un’esclusione di particelle moderata (> 60%) ed eccellente (vicino al 100%) rispettivamente al di sotto e al di sopra di 300 nm, i test effettuati con l’apertura dell’1% hanno sorprendentemente portato a cali significativi dell’efficienza della maschera nell’intero intervallo di dimensioni (calo del 60% nell’intervallo> 300 nm).

In questo caso, i due fori avevano un diametro di ∼0,635 cm e l’area della maschera era di ∼59 cm2. Tendenze simili in termini di cali di efficienza si riscontrano anche nel campione ibrido cotone / seta. Anche la dimensione del foro ha avuto un’influenza sull’efficienza di filtrazione. Nel caso di una maschera N95, l’aumento della dimensione del foro dallo 0,5 al 2% dell’area del campione di tessuto ha ridotto l’efficienza di filtrazione media ponderata da ∼60 al 50% per una particella di dimensione <300 nm.

A questo punto non è chiaro se effetti aerodinamici specifici esacerbino gli effetti di “perdita” quando simulati da fori. La sua determinazione esula dallo scopo di questo documento. Tuttavia, le nostre misurazioni sia a portata alta (3,2 CFM) che a bassa portata (1,2 CFM) mostrano un sostanziale calo di efficacia quando sono presenti buchi.

I risultati nelle Figure Figure22–4 evidenziano i materiali con buone prestazioni. Sono stati testati diversi tessuti che non fornivano una forte protezione dalla filtrazione (<30%) e gli esempi includono raso e seta sintetica (Tabella S1). Le efficienze di filtrazione di tutti i campioni che abbiamo misurato sia a 1,2 CFM che a 3,2 CFM sono descritte in dettaglio nelle informazioni di supporto (Figure S2 – S4).

Nella Tabella 1 riassumiamo i risultati chiave dei vari tessuti e approcci che riteniamo promettenti. Le efficienze di filtrazione medie (vedere la sezione Materiali e metodi per ulteriori dettagli) nell’intervallo 10–178 nm e da 300 nm a 6 μm sono presentate insieme alle pressioni differenziali misurate tra i panni, che rappresentano la traspirabilità e il grado di comfort delle maschere.

La pressione differenziale media su tutti i tessuti a una portata di 1,2 CFM è risultata essere 2,5 ± 0,4 Pa, indicando una bassa resistenza e rappresentano le condizioni per una buona traspirabilità (Tabella 1) .31 Come previsto, abbiamo osservato un aumento della pressioni differenziali medie per il caso di portata maggiore (3.2 CFM) (Tabella S1).

Tabella 1

Efficienze di filtrazione di vari campioni di prova a una portata di 1,2 CFM e pressione differenziale corrispondente (Δ P ) attraverso il campione ^a

	portata: 1.2 CFM
	efficienza del filtro (%)	differenziale di pressione
campione / tessuto	<300 nm media ± errore	> 300 nm media ± errore	Δ P  (Pa)
N95 (nessuna distanza)	85 ± 15	99.9 ± 0.1	2.2
N95 (con spazio)	34 ± 15	12 ± 3	2.2
mascherina chirurgica (senza spazio)	76 ± 22	99.6 ± 0.1	2.5
maschera chirurgica (con spazio)	50 ± 7	44 ± 3	2.5
trapunta di cotone	96 ± 2	96.1 ± 0.3	2.7
cotone quilter (80 TPI), 1 strato	9 ± 13	14 ± 1	2.2
cotone quilter (80 TPI), 2 strati	38 ± 11	49 ± 3	2.5
flanella	57 ± 8	44 ± 2	2.2
cotone (600 TPI), 1 strato	79 ± 23	98.4 ± 0.2	2.5
cotone (600 TPI), 2 strati	82 ± 19	99.5 ± 0.1	2.5
chiffon, 1 layer	67 ± 16	73 ± 2	2.7
chiffon, 2 layers	83 ± 9	90 ± 1	3.0
seta naturale, 1 strato	54 ± 8	56 ± 2	2.5
seta naturale, 2 strati	65 ± 10	65 ± 2	2.7
seta naturale, 4 strati	86 ± 5	88 ± 1	2.7
hybrid 1: cotton/chiffon	97 ± 2	99.2 ± 0.2	3.0
ibrido 2: cotone / seta (senza spazi vuoti)	94 ± 2	98.5 ± 0.2	3.0
ibrido 2: cotone / seta (gap)	37 ± 7	32 ± 3	3.0
ibrido 3: cotone / flanella	95 ± 2	96 ± 1	3.0

^a Le efficienze di filtrazione sono le medie ponderate per ciascun intervallo di dimensioni: meno di 300 nm e più di 300 nm

Guida
Evidenziamo alcune osservazioni dai nostri studi per il design delle maschere in tessuto:

Sono preferibili tessuti con trame fitte e bassa porosità, come quelli che si trovano nelle lenzuola di cotone con un alto numero di fili. Ad esempio, un cotone da 600 TPI ha funzionato meglio di un cotone da 80 TPI. I tessuti che sono porosi dovrebbero essere evitati.

Materiali come la seta naturale, un tessuto in chiffon (abbiamo testato un tessuto 90% poliestere-10% elastan) e flanella (abbiamo testato una miscela 65% cotone-35% poliestere) possono probabilmente fornire un buon filtraggio elettrostatico delle particelle. Abbiamo scoperto che quattro strati di seta (come forse il caso di una sciarpa avvolta) fornivano una buona protezione nell’intervallo da 10 nm a 6 μm di particolato.

La combinazione di strati per formare maschere ibride, sfruttando il filtraggio meccanico ed elettrostatico può essere un approccio efficace. Ciò potrebbe includere cotone ad alto numero di fili combinato con due strati di seta naturale o chiffon, per esempio. Anche una trapunta composta da due strati di cotone e un’imbottitura di cotone-poliestere ha funzionato bene. In tutti questi casi, l’efficienza di filtrazione era> 80% per <300 nm e> 90% per particelle di dimensioni> 300 nm.

Le proprietà di filtrazione indicate da (i) a (iii) riguardano le proprietà intrinseche del materiale della maschera e non tengono conto dell’effetto delle perdite d’aria che si verificano a causa di un “adattamento” improprio di una maschera sul viso dell’utente. È di fondamentale importanza che i design delle maschere in tessuto tengano conto anche della qualità di questo “adattamento” per ridurre al minimo la fuoriuscita di aria tra la maschera e i contorni del viso, pur consentendo all’aria espirata di essere ventilata in modo efficace.

Tali perdite possono ridurre significativamente l’efficacia della maschera e sono un motivo per cui le maschere N95 indossate correttamente e le maschere con raccordi elastomerici funzionano così bene.

Conclusioni
In conclusione, abbiamo misurato l’efficienza di filtrazione di vari tessuti comunemente disponibili per l’uso come maschere di tessuto nel filtraggio di particelle nell’intervallo di dimensioni significativo (per la trasmissione di virus a base di aerosol) compreso tra ∼10 nm e ∼6 μm e abbiamo presentato dati sull’efficienza di filtrazione in funzione della dimensione delle particelle di aerosol.

Troviamo che cotone, seta naturale e chiffon possono fornire una buona protezione, in genere superiore al 50% nell’intero intervallo da 10 nm a 6,0 μm, a condizione che abbiano una trama fitta. Fili più alti per pollice di cotone con trame più strette hanno portato a migliori efficienze di filtrazione. Ad esempio, un foglio di cotone da 600 TPI può fornire efficienze di filtrazione medie del 79 ± 23% (nell’intervallo da 10 nm a 300 nm) e del 98,4 ± 0,2% (nell’intervallo da 300 nm a 6 μm).

Una trapunta di cotone con imbottitura fornisce 96 ± 2% (da 10 nm a 300 nm) e 96,1 ± 0,3% (da 300 nm a 6 μm). È probabile che la natura fibrosa altamente aggrovigliata dell’imbottitura aiuti a ottenere prestazioni superiori con particelle di piccole dimensioni. Materiali come seta e chiffon sono particolarmente efficaci (considerando la loro trasparenza) nell’escludere particelle in regime su nanoscala (<∼100 nm), probabilmente a causa di effetti elettrostatici che provocano il trasferimento di carica con particelle di aerosol su nanoscala.

Una seta a quattro strati (usata, ad esempio, come sciarpa) è stata sorprendentemente efficace con un’efficienza media> 85% nell’intervallo di dimensioni delle particelle da 10 nm a 6 μm. Di conseguenza, abbiamo scoperto che le combinazioni ibride di panni come cotone alto filo per pollice insieme a seta, chiffon o flanella possono fornire un’ampia copertura di filtrazione sia su scala nanometrica (<300 nm) che su scala micron (da 300 nm a 6 μm), probabilmente a causa degli effetti combinati del filtraggio elettrostatico e fisico.

Infine, è importante notare che le aperture e gli spazi vuoti (come quelli tra il bordo della maschera e i contorni del viso) possono degradare le prestazioni.

I nostri risultati indicano che le perdite intorno all’area della maschera possono ridurre l’efficienza di circa il 50% o più, sottolineando l’importanza della “vestibilità”. Le opportunità per studi futuri includono il design delle maschere di stoffa per una migliore “vestibilità” e il ruolo di fattori come l’umidità (derivante dall’espirazione) e il ruolo dell’uso ripetuto e del lavaggio delle maschere di stoffa.

In sintesi, troviamo che l’uso di maschere in tessuto può potenzialmente fornire una protezione significativa contro la trasmissione di particelle nella gamma di dimensioni degli aerosol.

Riferimenti

1. Ma N.; Jeffrey S. S. How to Sew a Fabric Face Mask. Science 2020, 367, 1424.10.1126/science.abb0736. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
2. Centers for Disease Control and Prevention . Coronavirus Disease 2019 (COVID-19). Use of Cloth Face Coverings to Help Slow the Spread of COVID-19; CS316353B, available at https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/prevent-getting-sick/diy-cloth-face-coverings.html, 2020; pp 1–3.
3. Kutter J. S.; Spronken M. I.; Fraaij P. L.; Fouchier R. A.; Herfst S. Transmission Routes of Respiratory Viruses Among Humans. Curr. Opin. Virol. 2018, 28, 142–151. 10.1016/j.coviro.2018.01.001. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
4. Stelzer-Braid S.; Oliver B. G.; Blazey A. J.; Argent E.; Newsome T. P.; Rawlinson W. D.; Tovey E. R. Exhalation of Respiratory Viruses by Breathing, Coughing, and Talking. J. Med. Virol. 2009, 81, 1674–1679. 10.1002/jmv.21556. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
5. Milton D. K.; Fabian M. P.; Cowling B. J.; Grantham M. L.; McDevitt J. J. Influenza Virus Aerosols in Human Exhaled Breath: Particle Size, Culturability, and Effect of Surgical Masks. PLoS Pathog. 2013, 9, e100320510.1371/journal.ppat.1003205. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
6. National Academies of Sciences . Medicine. Rapid Expert Consultation on the Possibility of Bioaerosol Spread of SARS-CoV-2 for the COVID-19 Pandemic; The National Academies Press: Washington, DC, 2020; p 3. [Google Scholar]
7. National Academies of Sciences . Medicine. Rapid Expert Consultation on the Effectiveness of Fabric Masks for the COVID-19 Pandemic; The National Academies Press: Washington, DC, 2020; p 8. [Google Scholar]
8. MacIntyre C. R.; Seale H.; Dung T. C.; Hien N. T.; Nga P. T.; Chughtai A. A.; Rahman B.; Dwyer D. E.; Wang Q. A Cluster Randomised Trial of Cloth Masks Compared With Medical Masks in Healthcare Workers. BMJ. Open 2015, 5, e00657710.1136/bmjopen-2014-006577. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
9. Shakya K. M.; Noyes A.; Kallin R.; Peltier R. E. Evaluating the Efficacy of Cloth Facemasks in Reducing Particulate Matter Exposure. J. Exposure Sci. Environ. Epidemiol. 2017, 27, 352–357. 10.1038/jes.2016.42. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
10. Rengasamy S.; Eimer B.; Shaffer R. E. Simple Respiratory Protection–Evaluation of the Filtration Performance of Cloth Masks and Common Fabric Materials Against 20–1000 nm Size Particles. Ann. Occup. Hyg. 2010, 54, 789–798. 10.1093/annhyg/meq044. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
11. Davies A.; Thompson K. A.; Giri K.; Kafatos G.; Walker J.; Bennett A. Testing the Efficacy of Homemade Masks: Would They Protect in an Influenza Pandemic?. Disaster Med. Public Health Prep. 2013, 7, 413–418. 10.1017/dmp.2013.43. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
12. van der Sande M.; Teunis P.; Sabel R. Professional and Home-Made Face Masks Reduce Exposure to Respiratory Infections Among the General Population. PLoS One 2008, 3, e261810.1371/journal.pone.0002618. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
13. van Doremalen N.; Bushmaker T.; Morris D. H.; Holbrook M. G.; Gamble A.; Williamson B. N.; Tamin A.; Harcourt J. L.; Thornburg N. J.; Gerber S. I.; Lloyd-Smith J. O.; de Wit E.; Munster V. J. Aerosol and Surface Stability of SARS-CoV-2 as Compared With SARS-CoV-1. N. Engl. J. Med. 2020, 382, 1564.10.1056/NEJMc2004973. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
14. Morawska L.; Cao J. Airborne Transmission of SARS-Cov-2: The World Should Face the Reality. Environ. Int. 2020, 139, 105730.10.1016/j.envint.2020.105730. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
15. Wang J.; Du G. COVID-19 May Transmit Through Aerosol. Ir. J. Med. Sci. 2020, 1–2. 10.1007/s11845-020-02218-2. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
16. Santarpia J. L.; Rivera D. N.; Herrera V.; Morwitzer M. J.; Creager H.; Santarpia G. W.; Crown K. K.; Brett-Major D.; Schnaubelt E.; Broadhurst M. J.; Lawler J. V.; Reid S. P.; Lowe J. J.. Transmission Potential of SARS-CoV-2 in Viral Shedding Observed at the University of Nebraska Medical Center. 2020, medRxiv; https://10.1101/2020.03.23.20039446 (accessed 2020-04-04).
17. Zhang H.; Li D.; Xie L.; Xiao Y. Documentary Research of Human Respiratory Droplet Characteristics. Procedia Eng. 2015, 121, 1365–1374. 10.1016/j.proeng.2015.09.023. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
18. World Health Organization . Annex C – Respiratory droplets. In Natural Ventilation for Infection Control in Health-Care Settings; Atkinson J., Chartier Y., Pessoa-Silva C. L., Jensen P., Li Y., Seto W. H., Eds.; World Health Organization: Geneva, 2009; pp 77–82. [Google Scholar]
19. Morawska L. Droplet Fate in Indoor Environments, or Can We Prevent the Spread of Infection?. Indoor Air 2006, 16, 335–347. 10.1111/j.1600-0668.2006.00432.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
20. Ching W.-H.; Leung M. K. H.; Leung D. Y. C.; Li Y.; Yuen P. L. Reducing Risk of Airborne Transmitted Infection in Hospitals by Use of Hospital Curtains. Indoor Built Environ. 2008, 17, 252–259. 10.1177/1420326X08091957. [CrossRef] [Google Scholar]
21. Lai A. C. K.; Poon C. K. M.; Cheung A. C. T. Effectiveness of Facemasks to Reduce Exposure Hazards for Airborne Infections Among General Populations. J. R. Soc., Interface 2012, 9, 938–948. 10.1098/rsif.2011.0537. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
22. Leung N. H. L.; Chu D. K. W.; Shiu E. Y. C.; Chan K.-H.; McDevitt J. J.; Hau B. J. P.; Yen H.-L.; Li Y.; Ip D. K. M.; Peiris J. S. M.; Seto W.-H.; Leung G. M.; Milton D. K.; Cowling B. J. Respiratory Virus Shedding in Exhaled Breath and Efficacy of Face Masks. Nat. Med. 2020, 10.1038/s41591-020-0843-2. [CrossRef] [Google Scholar]
23. Hinds W. C.9 – Filtration. In Aerosol Technology: Properties, Behavior, and Measurement of Airborne Particles, 2nd ed.; John Wiley & Sons: New York, 1999; pp 182–205. [Google Scholar]
24. Vincent J. H.21 – Aerosol Sample Applications and Field Studies. In Aerosol Sampling. Science, Standards, Instrumentation and Applications; Vincent J. H., Ed.; John Wiley & Sons: New York, 2007; pp 528–529. [Google Scholar]
25. Colbeck I.; Lazaridis M.. 5 – Filtration Mechanisms. In Aerosol Science: Technology and Applications, 1st ed.; Colbeck I., Lazaridis M., Eds.; John Wiley & Sons: New York, 2014; pp 89–118. [Google Scholar]
26. Jung H.; Kim J.; Lee S.; Lee J.; Kim J.; Tsai P.; Yoon C. Comparison of Filtration Efficiency and Pressure Drop in Anti-Yellow Sand Masks, Quarantine Masks, Medical Masks, General Masks, and Handkerchiefs. Aerosol Air Qual. Res. 2014, 14, 991–1002. 10.4209/aaqr.2013.06.0201. [CrossRef] [Google Scholar]
27. Holton P. M.; Tackett D. L.; Willeke K. Particle Size-Dependent Leakage and Losses of Aerosols in Respirators. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 1987, 48, 848–854. 10.1080/15298668791385697. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
28. Rengasamy S.; Eimer B. C. Nanoparticle Penetration Through Filter Media and Leakage Through Face Seal Interface of N95 Filtering Facepiece Respirators. Ann. Occup. Hyg. 2012, 56, 568–580. 10.1093/annhyg/mer122. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
29. Rengasamy S.; Zhuang Z.; Niezgoda G.; Walbert G.; Lawrence R.; Boutin B.; Hudnall J.; Monaghan W. P.; Bergman M.; Miller C.; Harris J.; Coffey C. A Comparison of Total Inward Leakage Measured Using Sodium Chloride (NaCl) and Corn Oil Aerosol Methods for Air-Purifying Respirators. J. Occup. Environ. Hyg. 2018, 15, 616–627. 10.1080/15459624.2018.1479064. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
30. Electronic Code of Federal Regulations (eCFR), Title 42: Public Health, Part 84—Approval of Respiratory Protective Devices. Code of Federal Regulations, April 2020.
31. Lord J. 35—The Determination of the Air Permeability of Fabrics. J. Text. I. 1959, 50, T569–T582. 10.1080/19447025908659937. [CrossRef] [Google Scholar]
32. Silverman L.; Lee G.; Plotkin T.; Sawyers L. A.; Yancey A. R. Air Flow Measurements on Human Subjects With and Without Respiratory Resistance at Several Work Rates. AMA Arch. Ind. Hyg. Occup. Med. 1951, 3, 461–478. [PubMed] [Google Scholar]
33. Grinshpun S. A.; Haruta H.; Eninger R. M.; Reponen T.; McKay R. T.; Lee S.-A. Performance of an N95 Filtering Facepiece Particulate Respirator and a Surgical Mask During Human Breathing: Two Pathways for Particle Penetration. J. Occup. Environ. Hyg. 2009, 6, 593–603. 10.1080/15459620903120086. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
34. Wells W. F. Airborne Contagion and Air Hygiene: An Ecological Study of Droplet Infections. J. Am. Med. Assoc. 1955, 159, 90.10.1001/jama.1955.02960180092033. [CrossRef] [Google Scholar]
35. Huang H.; Fan C.; Li M.; Nie H.-L.; Wang F.-B.; Wang H.; Wang R.; Xia J.; Zheng X.; Zuo X.; Huang J. COVID-19: A Call for Physical Scientists and Engineers. ACS Nano 2020, 10.1021/acsnano.0c02618. [PMC free article] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
36. Perumalraj R. Characterization of Electrostatic Discharge Properties of Woven Fabrics. J. Textile Sci. Eng. 2015, 06, 1000235.10.4172/2165-8064.1000235. [CrossRef] [Google Scholar]
37. Frederick E. R. Fibers, Filtration and Electrostatics – A Review of the New Technology. J. Air Pollut. Control Assoc. 1986, 36, 205–209. 10.1080/00022470.1986.10466060. [CrossRef] [Google Scholar]
38. Sanchez A. L.; Hubbard J. A.; Dellinger J. G.; Servantes B. L. Experimental Study of Electrostatic Aerosol Filtration at Moderate Filter Face Velocity. Aerosol Sci. Technol. 2013, 47, 606–615. 10.1080/02786826.2013.778384. [CrossRef] [Google Scholar]
39. Bałazy A.; Toivola M.; Adhikari A.; Sivasubramani S. K.; Reponen T.; Grinshpun S. A. Do N95 Respirators Provide 95% Protection Level Against Airborne Viruses, and How Adequate are Surgical Masks?. Am. J. Infect. Control 2006, 34, 51–57. 10.1016/j.ajic.2005.08.018. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
40. Balazy A.; Toivola M.; Reponen T.; Podgorski A.; Zimmer A.; Grinshpun S. A. Manikin-Based Performance Evaluation of N95 Filtering-Facepiece Respirators Challenged With Nanoparticles. Ann. Occup. Hyg. 2005, 50, 259–269. [PubMed] [Google Scholar]
41. National Academies of Sciences . Medicine. Reusable Elastomeric Respirators in Health Care: Considerations for Routine and Surge Use; The National Academies Press: Washington, DC, 2019; p 226. [Google Scholar]
42. Bullock W. H.; Ignacio J. S.. A Strategy for Assessing and Managing Occupational Exposures; AIHA Press, American Industrial Hygiene Association, 2006. [Google Scholar]

---

More information: Adam F. Parlin et al, A laboratory-based study examining the properties of silk fabric to evaluate its potential as a protective barrier for personal protective equipment and as a functional material for face coverings during the COVID-19 pandemic, PLOS ONE (2020). DOI: 10.1371/journal.pone.0239531