I filtri nanofibrosi possono controllare gli aerosol di coronavirus

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Un filtro realizzato con nanofili polimerici ha soffiato fuori dall’acqua tre tipi di maschere commerciali catturando il 99,9% degli aerosol di coronavirus in un esperimento.

“Il nostro lavoro è il primo studio a utilizzare gli aerosol di coronavirus per valutare l’efficienza di filtrazione delle maschere facciali e dei filtri dell’aria”, ha detto l’autore corrispondente Yun Shen, assistente professore di ingegneria chimica e ambientale della UC Riverside.

“Studi precedenti hanno utilizzato surrogati di soluzione salina, perle di polistirolo e batteriofagi, un gruppo di virus che infettano i batteri”.

Lo studio, condotto dagli ingegneri della UC Riverside e della George Washington University, ha confrontato l’efficacia di maschere chirurgiche e di cotone, una guaina per il collo e membrane in nanofibra elettrofilate nel rimuovere gli aerosol di coronavirus per prevenire la trasmissione per via aerea. La maschera di cotone e la cuffia per il collo hanno rimosso solo circa il 45% -73% degli aerosol.

La maschera chirurgica ha fatto molto meglio, rimuovendo il 98% degli aerosol di coronavirus. Ma il filtro in nanofibra ha rimosso quasi tutti gli aerosol del coronavirus.

Lo studio di un nuovo virus contagioso è pericoloso e viene svolto in laboratori con i più alti livelli di biosicurezza, che sono relativamente rari. Ad oggi, tutti gli studi durante la pandemia sull’efficienza di maschere o filtri hanno utilizzato altri materiali pensati per imitare le dimensioni e il comportamento degli aerosol di coronavirus.

Il nuovo studio ha migliorato questo aspetto testando sia la soluzione salina aerosol che un aerosol che conteneva un coronavirus nella stessa famiglia del virus che causa COVID-19, ma infetta solo i topi.

Danmeng Shuai, collega della Shen e della George Washington University, ha prodotto un filtro in nanofibra inviando un alto voltaggio elettrico attraverso una goccia di fluoruro di polivinilidene liquido per far girare fili di circa 300 nanometri di diametro, circa 167 volte più sottili di un capello umano.

Il processo ha creato pori di solo un paio di micrometri di diametro sulle superfici della nanofibra, il che li ha aiutati a catturare il 99,9% degli aerosol di coronavirus.

La tecnica di produzione, nota come elettrofilatura, è conveniente e potrebbe essere utilizzata per produrre in serie filtri in nanofibre per dispositivi di protezione individuale e sistemi di filtrazione dell’aria.

L’elettrofilatura lascia anche le nanofibre con una carica elettrostatica che migliora la loro capacità di catturare gli aerosol e la loro elevata porosità rende più facile respirare indossando filtri di nanofibre elettrofilate.

“L’elettrofilatura può far progredire la progettazione e la fabbricazione di maschere per il viso e filtri dell’aria”, ha affermato Shen. “Lo sviluppo di nuove maschere e filtri dell’aria mediante l’elettrofilatura è promettente grazie alle sue elevate prestazioni in termini di filtrazione, fattibilità economica e scalabilità e può soddisfare le esigenze in loco delle maschere e dei filtri dell’aria”.


La crescita della popolazione mondiale, l’industrializzazione e l’urbanizzazione hanno avviato la produzione di enormi quantità di contaminanti emessi nell’aria, senza alcuna idea di come potrebbero influire sulla salute umana. Recentemente, le concentrazioni di contaminanti atmosferici sono aumentate al di sopra delle linee guida sulla qualità dell’aria (AQG) emesse dall’Organizzazione mondiale della sanità (OMS) in molti paesi sviluppati, portando a politiche di protezione ambientale per tutti gli individui in tutto il mondo. L’inquinamento atmosferico distrugge gravemente la qualità della vita e rappresenta un pericolo immediato per la salute pubblica [1].

I sintomi, come pianto, tosse, angina e difficoltà respiratorie, sono correlati all’inquinamento atmosferico subito dopo l’esposizione e possono anche causare danni più sottili e a lungo termine alla salute umana. Le persone in genere ignorano gli impatti dell’esposizione a lungo termine sulla loro salute (così come il fatto che l’esposizione a lungo termine può peggiorare le loro condizioni mediche). L’inquinamento atmosferico accede al corpo umano attraverso le vie respiratorie e ha anche influenze sistemiche che possono danneggiare diversi organi [2,3].

Nelle metropoli, a causa di questi gravi problemi ambientali, le persone indossano maschere o respiratori per filtrare l’aria inquinata esterna e le apparecchiature di filtraggio dell’aria stanno diventando sempre più comuni anche all’interno. In effetti, utilizzando soluzioni basate sulla ricezione attraverso il miglioramento di maschere e respiratori come mezzi efficaci per catturare particolati pericolosi [4]. La filtrazione dell’aria è una tecnica promettente, efficiente e pratica utilizzata contro gli inquinanti atmosferici.

Anche adesso, sono stati compiuti notevoli sforzi per migliorare i media filtranti dell’aria altamente efficienti, con particolare attenzione al miglioramento dell’efficienza del filtro [5,6,7,8]. Sebbene i mezzi di filtrazione dell’aria convenzionali, come i filtri HEPA (high-efficiency particulate air), abbiano un’elevata efficienza di filtrazione (di circa il 99,97%) per le particelle sospese nell’aria (0,1-0,5 μm), le loro prestazioni sono ancora basse per il particolato (PM ) nel submicrometro. Un altro svantaggio dell’utilizzo di mezzi filtranti più spessi è l’elevata caduta di pressione o i costi energetici per compensare la resistenza al flusso risultante.

Tali svantaggi dei filtri tradizionali ad alte prestazioni possono essere mitigati utilizzando una tecnica di elettrofilatura per preparare filtri a base di nanofibre. I filtri dell’aria a base di carbone sono progettati per intrappolare gli inquinanti atmosferici e fabbricati come maschere protettive. A causa della loro elevata area superficiale, abbondanza, struttura chimica stabile, bassa resistenza e alta capacità di funzionalizzazione con altri materiali, i materiali in carbonio sono candidati promettenti per la purificazione dell’aria.

In particolare, poiché il diametro delle nanofibre di carbonio è paragonabile al percorso libero delle molecole d’aria (66 nm in condizioni normali), esse superano il problema intrinseco tra efficienza di filtrazione e caduta di pressione [9,10]. Possono essere utilizzati per rimuovere composti organici volatili, nanoparticelle e contaminanti batterici nell’aria [10].

L’elettrofilatura consente la produzione di fibre, con diametri su nanoscala che variano tra 40 e 2000 nanometri come ottimi candidati per applicazioni biomediche [11,12]. Inoltre, i filtri in nanofibre elettrofilate possiedono un elevato rapporto superficie / volume che aumenta notevolmente la possibilità di deposito di inquinanti sulla superficie della fibra, e di conseguenza sviluppa le prestazioni del filtro con una caduta di pressione relativamente bassa [13]. Questa revisione ha lo scopo di condensare la ricerca precedente in un documento conciso e di facile lettura, incentrato sull’efficacia delle maschere facciali e dei respiratori contenenti nanomateriali nelle loro strutture.

Nanofibre elettrofilate e loro applicazioni in maschere facciali e respiratori

L’elettrofilatura è una nuova tecnica per la produzione di nanofibre, poiché fornisce una procedura rapida, una spesa ridotta e un controllo preciso delle composizioni delle nanofibre e delle caratteristiche geometriche. Nell’elettrofilatura, le alte tensioni si applicano ai fusi o alle goccioline di soluzione polimerica per eliminare la tensione della superficie del liquido e le fibre ultrafini con diametro compreso tra 40 e 2000 nm da creare (Figura 6) [59].

La selezione di una concentrazione di soluzione adatta, una tensione appropriata e lo spazio tra il collettore di supporto e la punta della siringa è di notevole importanza per la sintesi di nanofibre uniformi. Come parte essenziale di questa tecnologia, i media filtranti a base di nanofibre sono i componenti principali per migliorare le prestazioni di filtrazione [60,61,62,63,64].

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Figura 6
Processo di elettrofilatura (adattato con il permesso di Reference [65]).

I media filtranti a base di nanofibre elettrofilate possiedono un elevato rapporto superficie / volume, bassa caduta di pressione, buona interconnettività dei vuoti e connettività e morfologia controllabili, rendendoli desiderabili per ottenere un filtraggio eccellente. A causa della sua fragilità, le nanofibre elettrofilate non possono essere utilizzate singolarmente sul mezzo filtrante, dovrebbero essere depositate su un substrato, solitamente tessuto come non tessuto.

Vetro, poliestere, nylon e cellulosa sono le sostanze comuni utilizzate per supportare le nanofibre elettrofilate. Il substrato dovrebbe avere eccellenti proprietà meccaniche per consentire la pieghettatura, la fabbricazione del filtro e la tenacità nell’uso [66]. Per la filtrazione proposta, i substrati sono selezionati per la pieghettatura, la fabbricazione del filtro, la durata d’uso e la pulizia del filtro.

Attualmente, la maggior parte dei ricercatori interessati al settore dei filtri dell’aria sta cercando una tecnologia basata su nanofibre per migliorare la capacità di intercettazione della polvere e la qualità di filtrazione. Esistono già diverse applicazioni di filtri commercializzati, oltre a quelle in corso. L’uso di nanofibre nelle maschere facciali e nei respiratori è migliore di quello disponibile in commercio.

I filtri attivi attualmente utilizzati nelle maschere facciali e nei respiratori commerciali impiegano fibre PP di piccolo diametro nell’intervallo 500–1000 nm; questi filtri ottengono la filtrazione con l’aiuto dell’elettricità statica. La dimensione dei pori diminuisce al diminuire del diametro delle fibre e la distribuzione delle fibre per unità di area diventa più densa. Lo scioglimento elettrostatico assistito migliora la qualità della filtrazione creando una piccola carica nel tessuto, che aumenta la capacità di adsorbimento del tessuto.

Tuttavia, tali filtri possono perdere la loro elettricità statica dopo essere stati indossati per un periodo prolungato e se esposti all’acqua, riducendo così la loro efficienza di filtrazione, quindi questo tipo di filtro è progettato per essere usa e getta. Questo non è il caso delle nanofibre che non dipendono dall’elettricità statica per filtrare i contaminanti; utilizzano pori più piccoli e una distribuzione ragionevole dei pori per filtrare fisicamente gli aerosol che contengono polvere o virus nocivi [67].

Diversi studi e brevetti sulle nanofibre sono stati identificati in diverse maschere facciali e applicazioni per respiratori [68,69,70]. Munzarová (2013) ha sviluppato tessuti barriera basati su nanofibre tramite elettrofilatura da laminare su maschere facciali. Questa barriera protegge dalla permeazione di microrganismi, particelle di polvere e allergeni [71].

Skaria e Smaldone (2014) hanno prodotto un prototipo di maschera facciale con media filtrante a base di nanofibre rispetto al respiratore N95. Hanno scoperto che il prototipo riduceva significativamente la resistenza al flusso d’aria, con conseguente maggiore compliance della maschera facciale e maggiore efficienza di filtrazione, simile a quella ottenuta utilizzando un respiratore N95 [72].

Con una prospettiva leggermente diversa, Li e Gong (2015) hanno informato dello sviluppo di nanofibre a base di polisulfone per la filtrazione con maschera, utilizzando l’elettrofilatura da rivestire su PP non tessuto, con l’obiettivo di evitare l’inalazione di inquinanti nocivi nell’aria foschia contaminata.

Lo spessore del materassino in nanofibra è stato modificato in diversi periodi di preparazione collettiva (15 min <30 min <60 min) e queste tre maschere in nanofibra sono state confrontate con maschere facciali usa e getta non tessute, maschere per sala operatoria non tessute, respiratori N95 e R95 e Ito PM2.5 . È stato osservato che le maschere in nanofibre elettrofilate potrebbero essere efficaci nel filtrare le particelle PM2,5 e, allo stesso tempo, mantenere una buona traspirabilità [73].

Allo stesso modo, Akduman (2019) ha preparato uno strato di nanofibra di acetato di cellulosa (CA) e fluoruro di polivinilidene (PVDF) con filtrazione meccanica al 100% per maschere e respiratori in grado di soddisfare le specifiche dei respiratori N95. È stato confrontato l’effetto dello spessore del materassino in nanofibra, dei diametri delle nanofibre e della dimensione dei pori sull’efficienza di filtrazione [38,74]. Il diametro medio delle nanofibre PVDF (236,50 nm) era inferiore al diametro delle nanofibre CA (319,02 nm). Pertanto, le nanofibre CA hanno mostrato una migliore efficienza di filtrazione [74].

L’uso di nanofibre di filatura in soluzione (SBS) è un passo significativo nello sviluppo di una maschera composita [75,76]. Noel et al. (2019) hanno utilizzato il metodo delle nanofibre SBS nelle maschere filtranti multistrato composite; hanno preparato tre diversi tipi di tessuti in nanofibre, diacetato di cellulosa (CDA), poliacrilonitrile (PAN) e PVDF. 

Hanno dimostrato che la presenza di funzionalità di diverse molecole nelle nanofibre elettrofilate ha avuto un effetto significativo sull’efficienza della filtrazione, ovvero, la nanofibra PAN aveva la migliore efficienza di filtrazione (0,05 Pa − 1) del fattore di qualità e una buona permeabilità all’aria, mentre, tra tutte le nanofibre studiate, la qualità del filtro dell’aria PVDF era la più bassa, con (0,02 Pa − 1) del fattore di qualità [77].

Inoltre, il biossido di titanio (TiO2), i nanotubi di carbonio (CNT) e l’argento (Ag) sono stati facilmente utilizzati come materiali aggiuntivi per il rivestimento su nanofibre elettrofilate. Il TiO2 nanostrutturato era di notevole interesse per diversi materiali di rivestimento a causa della sua notevole catalisi dei raggi UV e delle proprietà di schermatura [78,79]. Ruan et al. (2020) hanno fabbricato e sviluppato la membrana di poliacrilonitrile-co-poliacrilato (PAN-co-PMA): TiO2 della nanofibra elettrofilata [80].

Le caratteristiche della membrana in nanofibra elettrofilata, come la permeabilità all’aria, l’intrappolamento di PM e l’ispezione dell’aerosol, sono state valutate metodicamente. Per due tipi di membrane in nanofibra, il non tessuto in microfibra, la membrana in nanofibra e la staffa in tessuto non tessuto sono stati integrati in una forza elettrostatica con struttura multistrato.

Il sistema di legame a membrana PAN-co-PMA: TiO2 ha dimostrato un’efficace rimozione del PM2,5 e una permeabilità all’aria superiore (284–339 mm / s) [80]. Diversi studi hanno dimostrato l’uso di carbone attivo e il composito in nanofibra di carbonio (AC / CNF) è risultato essere un’alternativa adatta per la cartuccia del respiratore grazie alla sua leggerezza e alla sua capacità di assorbimento appropriata [81]. Nello studio di Jahangiri et al. (2013), il granulato (AC / CNF) è stato utilizzato per assorbire e rimuovere i COV dall’aria respirabile nelle cartucce della maschera respiratoria. I risultati hanno dimostrato che il periodo di svolta è stato più lungo per questa cartuccia rispetto ad altri tipi [82].

È noto che l’incorporazione di agenti antimicrobici, come l’argento, con nanofibre, mostra proprietà antimicrobiche nei filtri [83]. Erano principalmente distribuiti sulla superficie delle nanofibre. I microrganismi possono essere uccisi quando entrano in contatto con nanoparticelle d’argento durante la filtrazione [84], ad esempio nanofibre di poliacrilonitrile incorporate in nanosilver [85].

Yang et al. (2017) hanno dimostrato l’effetto di gestione termica nella maschera facciale a base di nanofibre con un sistema modello nylon 6 / nano PE che manifesta un’elevata efficacia per la cattura del PM2,5 (99,6%) con una caduta di pressione inferiore [62]. Inoltre, hanno modificato il substrato di nano PE con argento. Il filtro per maschera in fibra / Ag / nano PE rivela un valore di (87,0%) poiché la riflettanza IR è elevata e potrebbe essere utilizzato in inverno o in estate per proteggere chi lo indossa dall’aria contaminata e rendere il viso caldo o fresco / confortevole [62].

Inoltre, per la protezione da batteri e virus, sono state prodotte nanofibre comprendenti polimeri superassorbenti (SAP) per fornire maggiore praticità, aggiungendo funzioni aggiuntive e assistenza medica. A tal fine, molti ricercatori hanno fabbricato nanofibre superassorbenti elettrofilate per aumentare la capacità di assorbimento del materiale, da utilizzare come prodotti per l’igiene personale, biofiltri microbici e maschere facciali usa e getta [86,87].

Sivri (2018) ha utilizzato nanofibre elettrofilate di soluzioni polimeriche acquose (PVA / SAP) da rivestire su maschere facciali per sviluppare funzioni di barriera contro i virus e funzioni di assorbimento dei liquidi. È stato scoperto che tutte le maschere facciali sono state rivestite con successo con nanofibra, secondo le indagini di spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR) e microscopia elettronica a scansione (SEM).

La permeabilità all’aria e la capacità di assorbire i liquidi hanno mostrato che il rivestimento con nanofibra ha migliorato l’idrofilia della maschera facciale mentre la permeabilità all’aria è diminuita al contrario [88].

L’epidemia di pandemia di coronavirus ha provocato la mancanza di maschere facciali e respiratori nel mondo. Pertanto, vi è la necessità immediata di un metodo di disinfezione sicuro e di riutilizzarli, con una perdita minima di efficienza e integrità [89,90,91,92].

Lee et al. (2019) hanno sviluppato filtri a membrana ad alte prestazioni in nanofibra di polibenzimidazolo (PBI) che possono essere utilizzati per maschere antipolvere o altri filtri dell’aria. Hanno indicato che la membrana filtrante in nanofibre PBI ha raggiunto un’elevata efficienza di filtrazione (~ 98,5%) con una caduta di pressione significativamente inferiore (130 Pa), in contrasto con la maschera facciale commerciale.

Hanno anche dimostrato la riutilizzabilità della membrana del filtro PBI, grazie alla sua stabilità termica, meccanica e chimica, dopo il processo di pulizia proposto [93]. Un sistema iMASC (iMASC) stampato ad iniezione autoclavabile, scalabile e conformabile è stato progettato e prodotto da James et al. (2020) per filtri di contenuto N95 di protezione a base di aerosol che possono essere installati e sostituiti a piacere.

Per comprendere il potenziale di mascheramento con varie forme e dimensioni del viso, l’analisi agli elementi finiti (FE) ha testato la deformabilità del sistema iMASC. È stato dimostrato che il sistema iMASC abbina con successo diverse forme e dimensioni del viso, utilizzando un metodo di prova confermato dall’Occupational Safety and Health Administration (OSHA). Questi dati supportano più test di qualificazione richiesti per l’uso nel settore sanitario [94].

Nazek et al. (2020) hanno migliorato un modello nanoporoso flessibile a base di Si su un wafer di silicio su isolante (SOI) che utilizza l’attacco agli idrossidi di potassio (KOH), utilizzando il modello come maschera dura attraverso un processo di incisione ionica reattiva per il trasferimento dei modelli su un leggero (<0,12 g) e membrana polimerica flessibile. La membrana flessibile potrebbe essere utilizzata sulla maschera N95 come riutilizzabile per aumentare la sua efficienza di filtrazione contro particelle inferiori a 300 nm, incluso COVID-19. Inoltre, la riutilizzabilità della maschera N95 contribuisce ad eliminare le sfide legate alla carenza di maschere facciali monouso [95].

link di riferimento: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8066241/


Ulteriori informazioni:  Hongchen Shen et al. Sviluppo di filtri nanofibrosi elettrofilati per il controllo degli aerosol del coronavirus,  lettere di scienza e tecnologia ambientale  (2021). DOI: 10.1021 / acs.estlett.1c00337

Il documento, “Sviluppo di filtri nanofibrosi elettrofilati per il controllo degli aerosol di coronavirus”, è stato pubblicato su Environmental Science & Technology Letters.

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