Forskarna tittade på garntalet, väv och massa tygprover som denna 100% bomullsflanell (förstorad cirka 220x gånger) - som var bland de högst presterande i deras testning - i ett försök att avgöra hur dessa egenskaper påverkar tygets förmåga att filtrera partiklar. Huvudbilden ovan, skapad av ljus som lyser genom tyget underifrån, avslöjar nätliknande strukturer som är vanliga i maskar av medicinsk kvalitet. Den mindre bilden gjord av reflekterat (direkt) ljus avslöjar hur tyget skulle se ut med blotta ögat under normala förhållanden. Kredit:National Institute of Standards and Technology
Forskare har slutfört en ny studie av hur väl en mängd olika naturliga och syntetiska tyger filtrerar partiklar av samma storlek som viruset som orsakar COVID-19. Av de 32 testade tygmaterialen tre av de fem mest effektiva vid blockering av partiklar var 100% bomull och hade en synlig upphöjd fiber eller tupplur, som finns på flannels. Fyra av de fem lägsta presterande var syntetmaterial. Testet visade också att flera tyglager kan förbättra bomullens effektivitet ytterligare. Inget av materialen kom i närheten av effektiviteten hos N95 -masker.
Även om urvalet var relativt litet, forskarna märkte att tätare vävda tyger i allmänhet filtrerade bättre än stickade och löst vävda tyger. 100% bomullstyg med många upphöjda fibrer tycktes också filtrera bättre än bomullstyg som saknade denna funktion. De upphöjda fibrerna bildar ofta banliknande strukturer som liknar de i masker av medicinsk kvalitet.
Tre forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) - Christopher Zangmeister, James Radney och Jamie Weaver — samarbetade med Edward Vicenzi från Smithsonian Institutions Museum Conservation Institute för att utvärdera material och bestämma både deras förmåga att filtrera partiklar och deras andningsförmåga. Deras resultat visas i tidningen ACS Nano .
U.S.Centers for Disease Control and Prevention (CDC) rekommenderar att folk bär ansiktsöverdrag i offentliga miljöer där social distansering är svår, främst för att förhindra att en person som inte vet att de är smittade sprider viruset.
Viruset som orsakar COVID-19 sprids främst genom andningsdroppar som utvisas när en person nyser, hostar eller till och med pratar. Dock, viss forskning tyder också på att viruset kan spridas genom mycket mindre aerosoler - mindre än 1/100 av bredden på ett människohår - som också utvisas, och som kan dröja kvar i luft mycket längre än droppar.
"Det visar sig att material från hyllan ger ett visst skydd mot aerosoler om du använder flera lager tyg och ett ansiktsöverdrag sitter tätt, "sade Zangmeister." Men ingen är lika bra som en N95 -mask. "
Projektet mätte ett vanligt sätt att avgöra hur väl ett material fångar upp partiklar, kallas filtreringseffektivitet. Zangmeister och Radney, som är experter på att mäta aerosoler, inrättade ett relativt enkelt experiment som förlitade sig på extremt känslig utrustning för dimensionering och räkning av aerosolpartiklar.
Experimenten använde tygprover, eller färgrutor, snarare än kompletta masker. "I grund och botten, vi tar ett prov av material och flödar en ström av partiklar av en känd storlek på det, "sa Zangmeister." Vi räknar antalet partiklar i luften före och efter att det har passerat genom tyget. Det berättar hur effektivt materialet är för att fånga partiklar. "
Istället för riktiga (och farliga) prover av SARS-CoV-2-viruset, laget använde bordsalt, eller natriumklorid (NaCl), den rekommenderade stand-in för viruspartiklar av CDC:s National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), som fastställer teststandarder för N95 och andra masker. Luftflödeshastigheterna som användes i experimenten var också från NIOSH -testrekommendationer.
Forskarna testade varje material mot partiklar från 50 till 825 nanometer (nm) för att kartlägga dess relativa prestanda.
Detta 100% polyestertyg testades tillsammans med 31 andra tygmaterial för att bestämma filtreringseffektiviteten och befanns vara ett av två syntetiska prover som rankades i topp fem av alla testade tyger. För att hjälpa forskare att se mer detaljer, den ursprungliga bilden konverterades till en tvåtonad bild med gult som indikerar tunnare eller öppna områden av tyget och blått indikerar tjockare områden av tyget. Kredit:National Institute of Standards and Technology
Under tiden, Vävare, en materialkemiker med bakgrund i textilier, och Vicenzi, en expert på mikroskopi, studerade varje tygbit för att bestämma dess garntal, väva och massa i hopp om att upprätta ett samband mellan dessa egenskaper och vävnadens förmåga att filtrera partiklar.
SARS-CoV-2-viruspartiklarna är cirka 110 nm i diameter. N95 -masker är noggrant testade för att säkerställa att de blockerar minst 95% av partiklarna i detta storleksintervall. Ett HEPA-filter (högeffektiv partikelluft) som de du kan hitta i en luftrenare blockerar 99,97% av partiklarna som är cirka 300 nm stora, och en ännu högre andel mindre partiklar. Av de tyger som testats i NIST -studien, det bäst presterande enskilda tygskiktet blockerade 20% av partiklarna i virusets storleksintervall.
Medan Zangmeister och Radney genomförde aerosolförsöken vid NIST:s Gaithersburg, Maryland, campus, Weaver och Vicenzi kunde bedriva sitt bildarbete hemma där de har arbetat sedan mitten av mars.
"Vi använde avsiktligt billiga digitala mikroskop och freeware för att göra vår del av forskningen hemifrån, "sade Weaver." En motivation för detta var att utveckla avbildningsmetoder som skulle göra det möjligt för medborgarforskare att bättre studera tyger för relativt små startkostnader. "
Förutom tygerna, teamet tittade på material inklusive ett HEPA -filter, N95-mask, en kirurgisk mask och till och med kaffefilter, som har föreslagits för användning i hemgjorda ansiktsöverdrag, för jämförelse. Teamet testade också kombinationer av tyger (en bomull och ett syntetiskt lager), som inte visade ökad effektivitet.
Genom att kombinera avbildning och aerosolmätningar, laget fann att vissa tyger som filtrerar flest partiklar också är svårast att andas igenom, och vissa misslyckas till och med att uppfylla hälso- och säkerhetsrekommendationer för andningsförmåga.
"Strukturen visade sig vara en av de mer användbara parametrarna att titta på eftersom vi fann att de flesta bomullstyg med upphöjda trådar tenderade att filtrera bäst, "sa Weaver." Våra fynd tyder på att ett tygs förmåga att filtrera partiklar är baserat på ett komplext samspel mellan materialtyp, fiber- och vävstrukturer, och garntal. "
Denna forskning ökar kunskapen om tyger och filtrering som går tillbaka till influensapandemin 1918 som dödade uppskattningsvis 20 till 50 miljoner människor världen över och föranledde den första forskningen om tygmasker och deras potential att skydda mot virus. Det stöder också efterföljande forskning som tyder på att tygfilter inte skulle vara lämpliga för hälso-och sjukvård.
Men trots årtionden av forskning om ämnet, teamet fann att bristen på standardtestmetoder och det breda utbudet av testade material gjorde det svårt att direkt jämföra resultaten från tidigare publicerade studier. De hoppas att deras arbete kommer att ge en metod för att snabbt screena material.
"Vi visste inte svaret när vi startade det här projektet, "sa Zangmeister." Men slutresultatet är att inget av dessa tyger är lika bra som en N95 -mask. Fortfarande, tyganslutningar kan hjälpa till att bromsa spridningen av coronavirus. Vi hoppas att denna forskning kommer att hjälpa tillverkare och DIYare att bestämma de bästa tygerna för jobbet och fungera som grund för ytterligare forskning. "
Teamet planerar att börja en ny testrunda på en ny uppsättning material inom en snar framtid. Weaver och Vicenzi har uppgraderat sin bildhårdvara och planerar att använda mer sofistikerad texturanalys för nästa tygomgång.
