Materialforskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat en återanvändbar "nanotech-mask" som kan filtrera bort 99,9 procent av bakterierna, virus och partiklar (PM), samt döda bakterier.

Dess nya antimikrobiella beläggning dödar bakterier inom 45 sekunder och är effektiv i minst 144 timmar (sex dagar).

Dess filtreringseffektivitet överträffar N95-maskernas (95 procent filtrering av PM0,3) och kan tvättas och återanvändas över 10 gånger.

I mitten av maj, Singapore skärpte sina COVID-19-åtgärder då landet stod inför en ökning av antalet infektioner, och befolkningen rekommenderades att använda ansiktsmasker med hög filtreringsförmåga för att hjälpa till att bromsa spridningen av coronaviruset.

Den inbyggda NTU-masken består av två nyckelkomponenter:en antimikrobiell beläggning gjord av kopparnanopartiklar utvecklad och patenterad av professor Lam Yeng Ming, belagd på en tygmask uppfunnen av docent Liu Zheng, som har en unik dielektrisk egenskap som attraherar alla nanopartiklar och bakterier.

Prof Lam, som också är ordförande för NTU:s School of Materials Science and Engineering, sa att deras maskprototyp kombinerar de två mest önskade egenskaperna som behövs för att bekämpa COVID-19, i ett enda filter.

"I experiment, vår koppar nanopartikelbeläggning har en extremt snabb och ihållande antibakteriell aktivitet, med en dödande effektivitet på upp till 99,9 procent när den möter multi-läkemedelsresistenta bakterier. Denna beläggning hjälper till att minska spridningen av bakterier eftersom den dödar mikrober i droppar som fångas av maskfibrerna, som ger utmärkt filtreringseffektivitet. Detta bör ge användarna ett dubbelt lager av skydd jämfört med konventionella kirurgiska masker, " förklarade prof Lam.

Experiment på maskens antibakteriella effektivitet genomfördes i samarbete med forskare från National University of Singapore (NUS). De simulerade verkliga förhållanden genom att introducera multi-läkemedelsresistenta bakterier i droppform på tygytor och observerade att nästan alla bakterier var döda efter 45 sekunder.

Anledningen till effektiviteten av den antimikrobiella beläggningen var tvåfaldig:den första är den extremt lilla storleken på nanopartiklarna, som är ca 1, 000 gånger mindre än bredden på ett människohår. Kollektivt, miljontals nanopartiklar ger en enorm yta för virus och bakterier att komma i kontakt med, jämfört med större partiklar.

Den andra är den höga nivån av oxidativ skada som orsakas av kopparoxidmaterialet. Kopparoxid inducerar alstring av reaktiva syreämnen, vilket resulterar i DNA-skada av viktiga cellstrukturer i bakterierna, som cellmembranet, skadar det allvarligt och får bakterierna att dö.

För att göra det enkelt att applicera, den antimikrobiella nanopartikellösningen är designad för att sprayas på alla mjuka och hårda ytor.

Olika peer-reviewed studier har visat att kopparoxid är effektivt för att döda virus, som den nyligen publicerade studien i ACS tillämpade material och gränssnitt av University of Hong Kong och Virginia Tech, där dörrhandtag var belagda med ett lager av kopparoxidmaterial.

NTU-teamet testade sin nanopartikelbeläggning under tuffa förhållanden för 120 tvättcykler (i närvaro av tvål eller dess aktiva komponenter vid 45 grader C) och fann att det nästan inte förekom någon kopparförlust - vilket utgör mycket liten risk för toxicitet för människor.

Nanopartiklarna är också bundna till fibrerna i masken, så det finns ingen kontakt med mänsklig hud när masken bärs.

Maskens överlägsna fångstförmåga

Att döda virus och bakterier skulle bara fungera om masken kan fånga och stoppa dem från att passera igenom. Det var här Assoc Prof Lius genombrott kom väl till pass.

Förra året, hans team utvecklade ett sätt att integrera dielektriska material till plastfibrer under tillverkningsprocessen av ett ovävt tygfilter tillverkat av polypropen (PP), används ofta i kirurgiska engångsmasker som används av sjukhus. Detta gjordes i samarbete med professor Guan Li från Renmin University of China.

De dielektriska materialen har utmärkta elektrostatiska egenskaper, som kan attrahera och binda till partiklar som har en negativ eller positiv laddning, liknande hur magneter drar till sig metallpartiklar.

Tillverkad av fibrer med en diameter på 200 till 300 nanometer, masken har en högre yta som sänker andningsmotståndet – vilket gör det lätt för bäraren att andas jämfört med konventionella N95-andningsskydd, som är tätare.

I tester, nästa generations dielektriska komposittyg hade 50 procent högre filtreringseffektivitet än rena PP-masker, som vanligtvis bedöms till 95 procent BFE (bakteriell filtreringseffektivitet).

Professor Liu sa:"Med vårt nya kompositfilter, vi kan uppnå upp till 99,9 procent BFE, fångar nästan alla mikrober och partiklar från rök eller dis. Dess filtreringseffektivitet överträffar en N95-mask men gör att bäraren kan andas mycket lättare.

"Mer viktigt, den kan enkelt massproduceras med den nuvarande produktionsprocessen. Den kan också tvättas mer än 10 gånger innan den tappar filtreringseffektivitet, vilket gör det mer hållbart än nuvarande engångsmasker för engångsbruk."

I experiment, masken kunde attrahera och fånga in ett brett spektrum av partiklar:från PM10 (genomsnittlig partikelstorlek på 10 mikron) till PM0,3 (0,3 mikron – ungefär 0,3 procent av diametern på ett människohår) med en filtreringseffektivitet på 99,9 procent .

Den antimikrobiella beläggningen har ett patent inlämnat genom NTU:s företags- och innovationsföretag, NTUitiv, och Prof Lams team arbetar redan med ett lokalt företag för att belägga det på sina produkter.

Assoc Prof Lius dielektriska kompositmaterial används nu av en utländsk tillverkare för att göra N95-masker som är lika lätta att andas som kirurgiska engångsmasker och som är tillgängliga kommersiellt.

Teamet ser nu efter att arbeta med lokala industripartner som är angelägna om att licensiera och skala upp produktionen av sin 2-i-1-mask och förbereder för närvarande vetenskapliga artiklar för inlämning i vetenskapliga tidskrifter.

NTU-forskare har arbetat med att utveckla lösningar i den globala kampen mot covid-19.

Dessa inkluderar innovationer som autonoma desinfektionsrobotar, Covid-19 snabbtestkit och en alkomätare, en smart mask, antimikrobiella beläggningar, samt grundläggande forskning om coronaviruset för att hitta nya läkemedelsmål för behandling och utveckling av vaccin.

Hälso- och sjukvård är en av mänsklighetens stora utmaningar som NTU försöker ta itu med under den strategiska planen för NTU 2025.