Az arcmaszkok kiterjesztett használata a COVID-19 járvány idején - Hőkezelés és permetezéses felületfertőtlenítés

Mathew C. Celina

egy Sandia Nemzeti Laboratórium, Szerves Anyagtudományi Osztály, 1853, Albuquerque, NM, 87185-1411, USA

Estevan Martinez

egy Sandia Nemzeti Laboratórium, Szerves Anyagtudományi Osztály, 1853, Albuquerque, NM, 87185-1411, USA

Michael A. Omana

b Sandia Nemzeti Laboratóriumok, aeroszol-jellemzõ csoport, Depts. 6633/6775, Albuquerque, NM, 87185-1104, USA

Andres Sanchez

b Sandia Nemzeti Laboratóriumok, aeroszol-jellemzõ csoport, Depts. 6633/6775, Albuquerque, NM, 87185-1104, USA

Dora Wiemann

b Sandia Nemzeti Laboratóriumok, aeroszol-jellemzõ csoport, Depts. 6633/6775, Albuquerque, NM, 87185-1104, USA

Matthew Tezak

b Sandia Nemzeti Laboratóriumok, aeroszol-jellemzõ csoport, Depts. 6633/6775, Albuquerque, NM, 87185-1104, USA

Tim R. Dargaville

c Egészségügyi és Orvostudományi Innovációs Intézet, Természettudományi és Mérnöki Kar és Anyagtudományi Központ, Queenslandi Műszaki Egyetem, Brisbane, Queensland, 4000, Ausztrália

Absztrakt

Grafikai absztrakt

kiterjesztett

1. Bemutatkozás

A COVID-19 járvány sok országban megterheli a kórházi és általános reagálási erőforrásokat. Az egyik ellátási kérdés, amely globális figyelmet keltett, a személyi védőfelszerelés (PPE), különösen a szűrő arcvédő légzőkészülékek (FFR; a kívánatos N95 típusú vagy más módon széles körben használt arcmaszkok), amelyek alkalmasak a kórokozók levegőben történő szűrésére, és milliók használják az egészségügyben szakemberek és az állami válaszadók. Az N95 típusú maszkokat különféle gyártók készítik különböző márkanevek alatt. A „NIOSH N95” kifejezés a szűrő hatásfokára vonatkozik, ami azt jelenti, hogy a maszkanyagok a 0,3 μm méretű vagy nagyobb részecskék körülbelül 95% -át blokkolják.

  • • Anyagszempontból nyilvánvaló hiányosságok vannak az arcmaszkok hőkezelésében?
  • • Van-e elegendő anyagállóság, amint azt a maszkok bizonyítják, hogy ellenálljon a mérsékelt túlmelegedésnek és a hosszabb expozíciós időnek, azaz meghaladja a gyors 30 perces expozíciót 75 ° C-on?

  • • Milyen az egyszerű permetezéssel fertőtlenítő oldatok és azok aktív vegyületeinek retenciós viselkedése a felületeken?
  • • Lehetne-e egyszerű, alacsony toxicitású fertőtlenítőszereket tartalmazó spray-kkel újrafelhasználni és javítani a jelenleg improvizált arcmaszkokat is?

2. Arcmaszk és PPE újrafelhasználási lehetőségek - jelenleg alkalmazott vagy mérlegelés alatt álló sterilizálási módszerek

A H1N1, H5N1 és SARS-CoV-1 járványokat követően számos folyóirat publikáció és jelentés jelent meg, amelyek a fertőtlenítési/sterilizálási módszereket és a vírusanyagok retencióját vizsgálták az FFR-ek esetében [[3], [4], [5]]. Ezek a tanulmányok elismerték, hogy egy járványban a jelenlegi gyártási kapacitást és a hatalmas FFR-készleteket (az Egyesült Államokban havonta 89 milliót) ki kell egészíteni az FFR-ek újrafelhasználásával. Valójában az FFR-k jelenlegi, 2020-as hiánya sok országban elsőbbséget élvez a 2009–2010-es influenza-járvány során tapasztalt azonnali hiányban [6]. A COVID-19 előtti kutatás és az FFR újrafelhasználásával kapcsolatos, legutóbbi, 2020-as kutatás számos stratégiát kínál a fertőtlenítésre, mindegyiknek megvannak a maga előnyei és hátrányai.

A SARS-CoV-2 vírus kémiai és fizikai stabilitásának hasonlósága más vírusokkal lehetővé teszi azt a feltételezést, hogy a H1N1, H5N1 vagy SARS-CoV-1 FFR dekontaminálásának vizsgálatában alkalmazott módszereket sikeresen lehet alkalmazni a SARS-CoV-2 felé [7]. Ezt az érvelést igazolják a SARS-CoV-2 stabilitás első feltörekvő vizsgálatai, amelyek kísérletileg azt mutatják, hogy a szokásos fertőtlenítőszerekkel, UV-C besugárzással vagy megemelt hőmérsékletekkel megszüntethető [[8], [9], [10], [ 11]]. Meg kell jegyezni, hogy a hordozónak is fontos szerepe lehet. Chin és mtsai. kimutatta, hogy két nap elteltével a szöveten nem volt kimutatható fertőző SARS-CoV-2, de egy műtéti maszkon 7 nap után jelentős szintet detektáltak [10]. Tekintettel e tanulmányok előzetes jellegére, még mindig sokkal több vizsgálatra és validálásra van szükség, beleértve az összes fertőtlenítési módszer vizsgálatát is, hogy megfeleljenek az FFR-k eltérő felhasználói számára rendelkezésre álló erőforrásoknak.

A nagy energiájú besugárzásnak hosszú története van az orvostechnikai eszközök sterilizálásának módszereként. Az energetikai fotonokról ismert, hogy a nukleinsavak lebomlását okozzák, ezért hatékonyak a kórokozók inaktiválásában. Kimutatták, hogy az FFR-ek 10 kGy-ra (1 Mrad) való gammasugárzása csekély hatást gyakorol a maszkok illeszkedésére (a szacharin készülék illesztési tesztjével értékelve), azonban a 0,3 μm-es részecskék szűrése veszélybe került [12]. A gammasugárzásról ismert, hogy a poliolefinek lebomlását általában> 50 kGy tartományban okozza, az oxidatív érzékenységnek kitett dózis sebességétől függően [[13], [14], [15], [16]]. A maszkok számára itt egyedülálló módon a sugárzás okozta töltéshordozó képződése, amely befolyásolja az elektret szűrő rétegeket [17], hozzájárulhat a FFR szűrő teljesítményének csökkenéséhez. A kGy-dózis elérésére képes gammasugárzási forrásokhoz való hozzáférés szintén nem elterjedt, így együttvéve a besugárzás nem biztos, hogy a legkényelmesebb választás a nagyarányú FFR-fertőtlenítéshez.

Az ultraibolya (UV) sugárzás az elektromágneses spektrum UV-C tartományában az ionizáló sugárzás másik formája, és hosszú múltra tekint vissza a felületek sterilizálásában. A gammasugárzással ellentétben a legtöbb kórházi és laboratóriumi környezetben könnyen elérhető. Számos tanulmány rávilágított az UV-sterilizálás lehetőségére a közös 254 nm-es lámpaforrásokból [[18], [19], [20]], beleértve a laboratóriumi biológiai biztonsági szekrények alkalmazását [11] és a nagy áteresztőképességű folyamatot, beleértve a nyomon követés lépéseit FFR-ek [21]. Lehetnek látótávolsági, behatolási szempontok a mélyebb fertőtlenítéshez (az UV – C sokkal kevésbé behatoló, mint a gamma), és lehetséges a felület degradációja, mivel a polimerek viszonylag érzékenyek az UV-C-ra (hasonlóan a gamma-dózisokhoz).

A hidrogén-peroxid erős oxidálószer és fertőtlenítőszerként hatékony, akár gázplazma, gőz vagy oldat. Az FFR-eknél a hidrogén-peroxid-gőz (HPV) használata jól dokumentált, mivel nem befolyásolja az illesztés vagy a szűrő teljesítményét [19, 22], és ígéretes a nagy áteresztőképességű fertőtlenítés szempontjából. Ez az egyik technika, amelyet a SARS-CoV-2-vel oltott FFR-eken teszteltek és hatékonynak bizonyultak, bár az eredmények csak előzetesek [23]. Jelenleg az Egyesült Államok egyes részein használják a nagy mennyiségű FFR-ek fertőtlenítésére a felhasználók számára történő újbóli telepítéshez [24], részletes leírással a HPV használatának megvalósításáról [25]. A hidrogén-peroxid gázplazma azonban kimutatták, hogy befolyásolja a szűrő teljesítményét a standard nátrium-klorid részecske behatolási vizsgálathoz képest, bár mechanizmust nem javasoltak [19].

Az etilén-oxid (EO) gázt széles körben használják az orvostechnikai eszközökben és az élelmiszeriparban sterilizálási módszerként, és alkalmasak nagy léptékű műveletekre. Maga a gáz mérgező és robbanásveszélyes, ezért kezelése körültekintő, és a kezelés után meg kell erősíteni a maradék gáz hiányát [23]. Ezenkívül az EO-kezelés után az FFR-eken maradt maradék vegyi anyagok vizsgálata azt mutatta, hogy a gumi hevederek reakciójából eredő mérgező reakciótermékek vannak jelen [26]. A kevésbé dekontaminálási módszerek közé tartozik a dimetil-dioxirán [26] új oxidálószer-keveréke, a maszk részeként nagy energiájú plazmát előállító elektródák [27], valamint réz-oxiddal impregnált maszkok [28]. Ezek a stratégiák hasznosak lehetnek a jövőben, de még nem bizonyított megközelítések.

A hő felhasználása az FFR-ek fertőtlenítésére olyan megközelítés, amely minimális erőforrásokat igényel, mivel a sütők általában könnyen elérhetőek. A mikrohullámú fűtés azonban kivétel, mivel köztudottan az FFR-ek deformálódását okozza, talán az egyenetlenebb helyi fűtés miatt [18]. A H1N1 és H5N1 korábbi munkája kimutatta, hogy 70% C 85% -os páratartalom mellett 30 percig [4, 29] elegendő a vírusok inaktivitásához FFR-en [30].

Az arcmaszkok frissítésével/sterilizálásával vagy az egyedi gyártású szövetmaszkok javításával kapcsolatos bármilyen megközelítés kis mennyiségű, fertőtlenítő tulajdonságokat kínáló permetezhető oldat alkalmazásával azt is megköveteli, hogy mérlegeljük, mennyi ideig maradhatnak aktív hatóanyagok a maszk felületén. A kontakt infravörös ATR (Attenuated Total Reflection) spektroszkópia kiváló módszer annak vizsgálatára, hogy a mikrométeres tartományban lévő vékony rétegek milyen gyorsan tűnhetnek el vagy maradhatnak meg. A specifikus vegyületek pontos vírusellenes hatékonyságát meg kell erősíteni a meglévő irodalmi adatok alapján, további biológiai vizsgálatokkal, vagy bio-orvosi és virológiai kollégáink által tovább meg kell állapítani, és ez kívül esik jelenlegi tanulmányunk keretein. Ehelyett azt szeretnénk bemutatni, hogy az alacsony hatóanyagmennyiségek milyen váratlan volatilitást mutathatnak vagy hajlamosak hosszabb ideig a felületeken maradni szobahőmérsékleten és 37 ° C-on. Ez elengedhetetlen alap a híg alkohol alapú permetezhető fertőtlenítőszerek további mérlegeléséhez, nem csak a maszk felület gyors sterilizálásának legegyszerűbb módszereként, hanem más PPE felületekre vagy közös berendezésekre, billentyűzetekre, számítógépes egerekre vagy hasonlóakra is alkalmazható.

Bármely létező sterilizálási és újrafelhasználási módszert, vagy a maszkok jelenleg mérlegelés alatt álló alternatíváit (szűrő arcvédő légzőkészülékek) saját egyedi érdemeik szerint kell értékelni, a sterilizálás hatékonyságát, a szűrési funkciót és az általános teljesítményt (mechanikai tulajdonságok és illeszkedés) értékelve párhuzamos. Ez a tanulmány további útmutatást kíván nyújtani a főleg N95 maszkok termikus fertőtlenítéséhez, a fertőtlenítéshez híg permetezéses oldatok alkalmazásával és a fertőtlenítőszerek felületen való visszatartásához.

3. A termikus expozíció egyszerű sterilizálási módszerként

3.1. Megközelítés

Az arcmaszkok korlátozott mennyiségének figyelembevételével, egy többszörös maszkkészletből álló előzetes szűrővizsgálatot egymás után öregítettek enyhén szellőző száraz cirkulációs laboratóriumi kemencékben 24 órán át 65 ° C-on, majd 24 órán át 80 ° C-on és 24 órán át. 95 ° C-on. Valamennyi maszk kiváló állapotban maradt 24 óra elteltével 65 ° C-on, mégis vannak bizonyítékok az anyaggyengeségek megjelenésére a 95 ° C-os expozíció utolsó lépése alatt. Világossá vált, hogy a magasabb hőmérséklet vagy a hosszabb idő minden bizonnyal a maszk megbízhatóságát fogja hátrányos helyzetbe hozni. Az egyik friss maszkkészletet ezután 24 órán át 80 ° C-on öregítették, vagyis kissé meghaladták a 70–75 ° C-os célsterilizációs hőmérséklet-tartományt, és egy másik készletet a további robusztusság 24 órán át 95 ° C-on történő validálására. Ezt követően megvizsgálták ezt a két készletet a látásromlás jelei ellen, míg a rugalmas szalagokat húzó módban tesztelték egy adott hosszúság (75 mm) 100% -os megnyújtásával (hosszának megduplázásával).

Olyan arcmaszkokat kaptunk (az 1. táblázatban összefoglalva és az 1. ábrán bemutatva), amelyekkel az Egyesült Államok egészségügyi rendszerében gyakran találkozunk, és egy példát, amely alkalmasabb N95 pormaszkként részecske körüli körülmények között végzett munkához (Moldex N95). Általában használt maszkgyártási anyagok a polipropilén és a poliészter szövetek, általában olvadt vagy villamosan szőtt szálakként [45]. A 2. ábra, 3. ábra, 4. ábra áttekintést nyújt az ilyen arcmaszkok rétegszerkezetéről és az alkalmazott IR-spektroszkópiával elemzett polimer szövetekről, amelyek az anyagazonosítás céljából spektrális abszorbancát mutatnak a hullámszámhoz viszonyítva. A kereskedelmi PPE maszkok hasonló szűrőanyagokat (főleg polipropilént és poliésztert) és tervezési elveket ölelnek fel. Ezért a hőöregedésükre és a szűrő teljesítményére vonatkozó következtetések valószínűleg szélesebb körben alkalmazhatók.

Asztal 1

A kontrollált öregedéshez (szűrés és 24 óra 80 és 95 ° C-os expozíciónál) és az azt követő szűrőértékeléshez használt maszkok. ∗ a korlátozott hozzáférhetőség miatt a Moldex maszkot csak halmozottan öregítették, de külön nem hozták ki 80 és 95 ° C-on. ∗∗ csak vizuális ellenőrzések.