I pandemin, människor bär ansiktsmasker för att respektera och skydda andra – inte bara för att skydda sig själva, säger ett team av Northwestern University-forskare.

Med detta i åtanke, forskarna utvecklade ett nytt koncept för en mask som syftar till att göra bäraren mindre smittsam. Den centrala idén, som fick stöd från National Science Foundation genom ett RAPID-anslag, är att modifiera masktyger med antivirala kemikalier som kan sanera utandning, undkommit andningsdroppar.

Genom att simulera inandning, utandning, hostar och nyser i laboratoriet, forskarna fann att non-woven tyger som används i de flesta masker fungerar bra för att demonstrera konceptet. En luddfri torkduk med bara 19 % fiberdensitet, till exempel, sanerade upp till 82 % av utsläppta andningsdroppar i volym. Sådana tyger gör inte andningen svårare, och kemikalierna på masken lossnade inte under simulerade inhalationsexperiment.

Forskningen kommer att publiceras den 29 oktober i tidskriften Materia .

Vikten av att skydda andra

"Masker är kanske den viktigaste komponenten i den personliga skyddsutrustningen (PPE) som behövs för att bekämpa en pandemi, " sa Northwesterns Jiaxing Huang, som ledde studien. "Vi insåg snabbt att en mask inte bara skyddar personen som bär den, men mycket viktigare, det skyddar andra från att utsättas för droppar (och bakterier) som släpps av bäraren.

"Det verkar finnas en viss förvirring om maskbärning, eftersom vissa människor inte tror att de behöver personligt skydd, ", tillade Huang. "Vi kanske borde kalla det folkhälsoutrustning (PHE) istället för PPE."

Huang är professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. Doktorand Haiyue Huang och postdoktor Hun Park, båda medlemmarna i Huangs laboratorium, är första författare till tidningen.

"Där det finns ett utbrott av infektionssjukdomar i luftvägarna, att kontrollera källan är mest effektivt för att förhindra virusspridning, "sa Haiyue Huang, en Ryan Fellowship Awardee 2020. "Efter att de lämnat källan, andningsdroppar blir mer diffusa och svårare att kontrollera. "

Mål och resultat

Även om masker kan blockera eller omdirigera utandade andningsdroppar, många droppar (och deras inbäddade virus) flyr fortfarande. Därifrån, virus-laddade droppar kan infektera en annan person direkt eller landa på ytor för att indirekt infektera andra. Huangs team syftade till att kemiskt förändra flyktdropparna för att få virusen att inaktiveras snabbare.

För att åstadkomma detta, Huang försökte designa ett masktyg som:(1) inte skulle göra andningen svårare, (2) Kan ladda molekylära antivirala medel som syra och metalljoner som lätt kan lösas upp i läckta droppar, och (3) Innehåller inte flyktiga kemikalier eller lätt löstagbara material som kan andas in av bäraren.

Efter att ha utfört flera experiment, Huang och hans team valde ut två välkända antivirala kemikalier:fosforsyra och kopparsalt. Dessa icke-flyktiga kemikalier var tilltalande eftersom ingen av dem kan förångas och sedan potentiellt inandas. Och båda skapar en lokal kemisk miljö som är ogynnsam för virus.

"Virusstrukturer är faktiskt väldigt ömtåliga och "spröda, "" sa Huang. "Om någon del av viruset inte fungerar, då förlorar den förmågan att infektera."

Huangs team odlade ett lager av en ledande polymer polyanilin på ytan av masktygets fibrer. Materialet fäster starkt på fibrerna, fungerar som reservoarer för syra- och kopparsalter. Forskarna fann att även lösa tyger med låg fiberpackningstäthet på cirka 11 %, såsom medicinsk gasväv, förändrade fortfarande 28% av utandade andningsdroppar i volym. För tightare tyger, som luddfria våtservetter (den typ av tyger som vanligtvis används i labbet för rengöring), 82% av andningsdropparna modifierades.

Huang hoppas att det nuvarande arbetet ger en vetenskaplig grund för andra forskare, särskilt i andra delar av världen, att utveckla sina egna versioner av denna kemiska moduleringsstrategi och testa den vidare med virala prover eller till och med med patienter.

"Vår forskning har blivit en öppen kunskap, och vi kommer att älska att se fler människor gå med i denna ansträngning för att utveckla verktyg för att stärka folkhälsoåtgärder, ", sade Huang. "Arbetet utförs nästan helt i labbet under campusavstängning. Vi hoppas kunna visa forskare inom den icke-biologiska sidan av vetenskap och teknik och de utan många resurser eller kopplingar att de också kan bidra med sin energi och talang."