コミュニティ用および医療用フェイスマスクの細菌濾過効率と通気性に対する洗濯パラメーターの影響

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15853 (2022) この記事を引用

863 アクセス

4 引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

医療用フェイスマスクを、同様の性能を持つ再利用可能な地域用フェイスマスクに置き換えることはできますか? 洗濯サイクル数、洗濯温度、洗剤の使用が、医療用フェイスマスク (MFM) 1 枚と地域用フェイスマスク (CFM) 10 枚の性能に及ぼす影響を評価しました。 新しいマスクと洗浄したマスクの性能は、細菌濾過効率 (BFE) と差圧 (DP) から特性評価されました。 新しいマスクのテストでは、MFM の BFE が常に CFM より優れていることがわかりました。 CFM のうち 2 つは 95% を超える BFE 値を示しましたが、BFE と DP の両方の要件に基づいてタイプ I MFM として分類できるのは 1 つだけです。 MFM と優れた BFE 特性を持つこれら 2 つの CMF に対する洗浄パラメータの影響を調査しました。 パラメータは CFM の BFE には影響しませんでしたが、MFM は洗剤で洗浄すると効率の低下が見られました。 マスクのDPは洗濯による影響を受けませんでした。 この結果は、BFE と通気性の間で妥協する必要があるとしても、タイプ II の要件を満たさなくても、タイプ I MFM と同様の性能を持つ CFM を製造することは可能であると思われることを明確に示しています。

呼吸器の飛沫やエアロゾルは、咳、くしゃみ、会話などのさまざまな呼気活動によって発生する可能性があります。 SARS-CoV-2 と同様、他の呼吸器ウイルスもウイルス粒子を含む飛沫やエアロゾルを介した空気感染によって循環します1。 2020 年に新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) のパンデミックを引き起こした SARS-CoV-2 の感染拡大中、屋内環境の汚染を軽減する手段としてフェイスマスクが広く受け入れられるようになりました 2。 フェイスマスクは主に、感染した着用者が他の人にウイルスを感染させるのを防ぐ目的で使用されるため（ソースコントロール）、マスクの使用はウイルスの蔓延を減らすのに役立つことが示されています3,4。 ただし、マスクは着用者を新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の感染から守る可能性もあります。 実際、いくつかの研究では、マスクが健康な着用者を感染から保護（保護）できることが実証されています5、6。 フェイスマスクは、人工呼吸器、医療用フェイスマスク、および非医療用フェイスマスクに区別できます7。 新型コロナウイルス感染症（Covid-19）のパンデミックが発生する前は、医療スタッフ向けのケアサービスでは医療用フェイスマスクの使用が一般的に推奨されていた。 しかし、パンデミックへの対応として、各国政府は公共の場でのマスク着用を義務付けたことで、医療用フェイスマスクの需要が急増し、その結果、マスクの供給に緊張が生じた。 したがって、医療用フェイスマスクの世界的な不足に対処するために、コミュニティ用フェイスマスクまたは布製マスクが導入され8、9、10、医療用フェイスマスクと並行して使用されています。

不足に加えて、これらの使い捨て医療用フェイスマスクは膨大な廃棄物源であり、海洋および陸上環境におけるマイクロプラスチック汚染という既存の問題の一因となっています11、12、13。 その結果、マスクの再利用可能性に対する関心がますます高まっています。 したがって、コミュニティ用フェイスマスクは、洗って数回再利用できるため、使い捨ての医療用フェイスマスクよりも環境に優しい選択肢とみなされています14,15。 当初は使い捨てとして設計されていましたが、環境と供給の両方の理由から、医療用フェイスマスクの再利用の実現可能性を研究することも興味深いと思われます。 いくつかの研究では、医療用フェイスマスクは 10 回の洗濯サイクル後に再利用できることが示されています 16,17。

小さな粒子に対する地域用フェイスマスクの防御力は非常にばらつきがあり、通常は医療用フェイスマスクよりも劣りますが18,19、他の人々をSARS-CoV-2ウイルスの感染から守るためには、マスクの使用が依然として推奨されています20。 この研究では、一部の市販のコミュニティフェイスマスクが標準的な医療用フェイスマスクに近い性能を持っているかどうかを判断しようとしています。 これに加えて、私たちはまた、地域用フェイスマスクの性能に対する 3 つの洗濯パラメーターの影響を評価し、その性能を新品または同じ条件で洗浄した医療用フェイスマスクの性能と比較することも目指しています。 調査されたパラメータには、洗濯サイクルの数、水温、洗濯サイクル中の洗剤の使用の可能性などが含まれます。

医療用フェイスマスクには、規格によって定められた特定の要件が適用されます。 ヨーロッパでは、最小細菌濾過効率 (BFE)、差圧 (DP) の最大値、最大生体負荷、および飛沫耐性の要件に関して性能要件が規格 EN 14683:201921 に記載されています。 この作業では、医療用フェイスマスクとコミュニティ用フェイスマスクの両方が EN 14683:2019 の対象となり、BFE (マスク素材の濾過能力を示す) と DP (マスク素材の通気性を示す) の 2 つのパラメーターのみに焦点を当てます。マスク素材）。 この意味で、私たちの研究は、関連するトピックに関してすでに出版されている論文よりも際立っています。なぜなら、さまざまな洗浄または除染プロセス後の医療用フェイスマスクと地域用フェイスマスクの再利用可能性についてはすでに出版されているにもかかわらず、細菌濾過効率を使用する論文の数が少ないからです。非生物材料を使用して実行された効率測定は依然として非常に低いです。 さらに、優れた独創性は、濾過（BFE測​​定）と通気性の観点からマスクの性能を比較できるようにするために、医療用マスクに要求される基準に従って洗浄後のコミュニティ用フェイスマスクの濾過効率をバイオエアロゾルを使用して測定することです。 （DP測定）。

この研究では、フランスのさまざまなメーカーから 10 個のコミュニティ用フェイスマスクが購入され、最初に評価されました。 この研究で使用された医療用フェイスマスクは、欧州規格EN 14683:AC 2019に従って認定されたタイプIIR医療用マスクです。マスクの参照は補足表S1に提供されています。 測定は、各マスク タイプの 5 つのサンプルで実行されました。

BFE の評価は、医療用マスクの性能に関する EN 14683:2019 規格に従って、公開された手順 22 を使用して実行されました。 既知の黄色ブドウ球菌 ATCC 29213 を含むエアロゾル流は、E-flow メッシュネブライザー (Pari GmbH、シュタルンベルク、ドイツ) を使用して生成されます。 カウントはコロニー形成単位 (CFU) で表されます。 培養培地は、試験用に約 5 × 105 CFU mL-1 の濃度になるように希釈されます。 CFU の平均数は平均 1.7 × 103 CFU と 3.0 × 103 CFU の間に維持され、平均粒径 (MPS) は 3.0 ± 0.3 μm に維持されました。 EN 14683:2019 の要求に従って。 MPS は次のように計算されました。

ここで、\(P_{i}\) はインパクターの 6 段階の各段階の 50% 有効カットオフ直径 (0.65 ～ 7 µm の範囲)、\(C_{i}\) は CFU の数です。システム内にマスク (ポジティブラン) が存在しない場合、i 番目のステージで成長します。

生成されたエアロゾルは、真空ポンプによって 28.3 L min-1 の一定流量でエアロゾル チャンバー (直径 60 mm、長さ 600 mm のガラスシリンダー) を通して吸引されます。 マスク サンプルは、エアロゾル チャンバーと 6 段階のアンダーセン カスケード インパクターの間にクランプされます。 6 つのステージのそれぞれは、400 個のオリフィスと、インパクション プレートとして使用される寒天培地を含む 90 mm のプラスチック ペトリ皿で構成されます。 オリフィスの直径に応じて、特定のクラスサイズの液滴がペトリ皿に衝突し、細菌のコロニーの形成を引き起こします。 28.3 L min-1 で動作する場合の 6 つのステージのそれぞれの 50% 有効カットオフ直径 (つまり、50% サンプリング効率に対応する粒子直径) は、7 μm (ステージ 1)、4.7 μm、3.3 μm の範囲です。 、2.1 μm、1.1 μm ～ 0.65 μm (ステージ 6)。

各サンプルの寸法は少なくとも 100 mm × 100 mm であるため、試験面積は EN 14683:2019 の要求に従って少なくとも 49 cm2 でした。 テストは、マスクの内側をエアロゾル化した細菌と接触させることによって実行されました。 各サンプルは、テスト前に大気平衡に達するまで、21 ± 5 °C、相対湿度 85 ± 5% で少なくとも 4 時間調整されました。 マスクの BFE を評価するには、8 回の連続測定を実行する必要があります。 まず、カスケード インパクターとエアロゾル チャンバーの間にマスクを配置せずにポジティブ コントロールの実行を実行します。 次に、テストサンプルに対して 5 つの実験が実行され、実験ごとにマスクを変更します。 次に、2 番目のポジティブコントロール実験が実行されます。 最後に、8 回の連続実験のこのサイクルは、細菌を添加せずに空気をカスケード インパクターに 2 分間通過させるネガティブ コントロールの実行で終了します (これは、ポジティブ 実行中に細菌が沈着したことを確認するための汚染コントロールとして機能し、試験サンプルはバイオエアロゾル源のみから採取されました）。

BFE は次のように計算されます。

ここで、C は 6 つのプレート カウントの合計 CFU の 2 回の陽性ランの平均であり、T は各試験サンプルの 6 つのプレート カウントの合計 CFU です。

ペトリ皿を37±2℃で22±2時間インキュベートした。 ＣＦＵは自動コロニーカウンターＳｃａｎ ４０００（Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ）を用いて計数した。

EN 14683:2019 に基づく医療用フェイスマスクのさまざまなカテゴリの BFE 要件を表 1 に示します。

呼吸抵抗のテストは、EN 14683:2019 標準手順に従って実行され、実験のセットアップが図 1 に示されています。マスクは、4.9 cm2 の円形断面を持つ 2 つのサンプルホルダーと空気の間に取り付けられました。 8 L min-1 の固定空気流量でマスクを通過させます。 呼吸抵抗は、マスク素材全体の差圧降下を測定することによって計算されました。 差圧（DP）はPa cm-2で表されました。 EN 14683:2019 に基づく医療用フェイスマスクのさまざまなカテゴリの DP 要件を表 1 に示します。BFE と DP は、マスクの有効性の個々の尺度を評価するための貴重な情報を提供します。 ただし、BFE と DP の依存関係により、包括的な濾過品質係数 (Pa-1 での Q 係数) が得られ、次の式を使用して濾過媒体間のより堅牢な比較が可能になります。

EN14683:2019 標準試験法に準拠した DP を評価するための実験セットアップ。

顕微鏡分析は、C Plan レンズモデルを備えた Leica DM LB 顕微鏡を使用して行われました。 画像は Bresser MikroCam SP 5.0 を使用して 4 倍の倍率で撮影されました。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、ＪＥＯＬ ＪＳＭ－６５００Ｆを使用してマスクの表面に対して実行された。 サンプルを両面カーボンテープで真鍮支持体に取り付け、14 nm の金 (Quorom Q 150R ES) でコーティングしました。 画像はビーム加速電圧 5 keV で撮影されました。

洗濯は家庭用洗濯機（キャンディースマート CSWS 4852DWE）で行いました。 すすぎと回転（400 rpm）の後、マスクを屋外で乾燥させました。 マスクを 10 回、30 回、50 回洗浄して、洗濯サイクルの影響を評価しました。 また、水温の影響を調査するために 30 °C と 60 °C で洗濯しました。最後に、一般的な市販の洗濯洗剤 (X-Tra Total 3 + 1 Trio-Caps、Henkel Ltd) を使用して、洗剤の添加による影響を調べました。洗剤。

未使用時の10個のコミュニティフェイスマスクと医療用フェイスマスクのBFEとDPの結果を、図2a、bと補足の表S2（Qファクター値を含む）に示します。 EN 14683:2019 標準手順に従って、マスクを構成する材料のみが評価され、この研究では漏れは考慮されていません。 水平の破線は EN 14683:2019 の性能要件を表します。 タイプ IIR (捕集効率 98% 以上、差圧 60 Pa cm-2 以下)、タイプ II (捕集効率 98% 以上、差圧 40 Pa cm-2 以下)、タイプ I (捕集効率 95% 以上、差圧 40 Pa cm-2 以下) の場合Pa cm−2 差圧）。

(a) 細菌濾過効率 (%) および (b) 医療用フェイスマスクとコミュニティ用フェイスマスクの差圧 (Pa cm−2) (平均値 (N = 5) ± 標準偏差)。 CFMはコミュニティフェイスマスクに対応し、2Lは2層、3Lは3層に対応します。

その結果、コミュニティ用フェイスマスク 1 枚 (CFM-B-3L) を除き、すべてのマスクがさまざまなカテゴリーの医療用フェイスマスク (タイプ I、タイプ II、タイプ IIR) の通気性要件を満たしていることがわかりました。タイプ I またはタイプ II マスクですが、タイプ IIR マスクの準拠制限内にあります。 この医療用フェイスマスクは 99% という最高の濾過効率を有し、タイプ II 医療用フェイスマスク規格に準拠していました。 コミュニティフェイスマスクの濾過効率にはばらつきがあり、BFE は 73 ～ 97% の範囲でした。 市販のフェイスマスク 2 種類（つまり、CFM-A-2L および CFM-B-3L）のみが、タイプ I 医療用フェイスマスクの BFE 要件である 95% を超える BFE を持っていました。 しかし、すべてを考慮すると、CFM-B-3L の通気性は 40 Pa cm-2 の DP 制限をはるかに上回っているため、1 つの CFM (つまり CFM-A-2L) だけがタイプ I 医療用フェイスマスク要件に準拠しています。 最後に、MFM は 60.1 kPa-1 の Q 係数を示し、CFM は 12.1 ～ 28.4 kPa-1 の範囲にあります (表 S2 を参照)。この結果は、製造するには BFE と通気性の間で妥協点を見つける必要があることを明確に示しています。優れた特性を備えたコミュニティフェイスマスク。 言い換えれば、メーカーにとっての主要な技術的課題は、通気性を犠牲にすることなく、高い濾過効率を備えたコミュニティ用フェイスマスクを入手することです。

フェイスマスクを使用したエアロゾル液滴の濾過は、衝突、遮断、拡散、静電引力などのいくつかのメカニズムによって制御されます9,23。 フェイスマスクの濾過効率に対する各機構の寄与は、使用される材料（多孔質構造の違い）、エアロゾル液滴のサイズ、および動作条件（温度、湿度、空気濾過速度）によって異なります。 1 µm を超えるエアロゾル液滴の場合、衝突および遮断メカニズムがより重要になります。 0.1 μm 未満の小さな粒子の場合、ブラウン運動による拡散が支配的なメカニズムです。 マスク材料が帯電すると、静電気力が粒子捕捉に寄与し、特にメカニズムが支配的でない 0.1 ～ 0.5 μm の最貫通粒子サイズ (MPPS) 範囲 (MPPS ゾーン)24 の粒子の捕捉に寄与します。 BFE に必要な平均粒径 3 μm の場合、衝突と遮断が最も支配的なメカニズムです。

コミュニティのフェイスマスクの性能は生地の特性に影響されますが、最も影響を与える特性は現時点では不明です25。 細孔径分布（CFM の場合は 113 ～ 981 μm の範囲）や繊維直径（CFM の場合は 12 ～ 18 μm の範囲）など、使用される材料の表面特性は、マスクの性能に影響を与える可能性がある重要なパラメータです26。 。 補足表S3に提供されているCFMおよびMFMの細孔径分布の結果は、明らかに一般的な傾向として細孔径が大きくなるほど濾過効率が低下することを示しているように見えますが、濾過効率は、マスクのこれらの構造パラメータのみから導き出されます。さらに、効率に関して言えば、エアロゾルの捕捉に関与するのは孔のサイズだけではなく、特に不織布で作られたマスクの場合、繊維の直径も重要です。 、MFMの場合と同様です。 編組生地で作られたマスクの孔のサイズと数に応じて、これらの孔を通過するときに空気の流れが増加または減少し、流速が増加または増加しません。

コミュニティフェイスマスクと医療用フェイスマスクの代表的な顕微鏡画像を図3に示します。簡潔にするために、10枚のコミュニティフェイスマスクのうち3枚だけを示しています。 繊維状フィルター材料は通常、いくつかの方法で配置された繊維で構成されています。 不織布材料の場合、繊維はランダムに配向されていますが、織編物材料には互いに絡み合った糸 (繊維の束) が含まれています27。 細孔は織編物では糸の隙間に形成されますが、不織布フィルターでは個々の繊維間の小さな空間によって形成されます27。 糸の間の空間は、コミュニティフェイスマスクの孔であると考えられました。 コミュニティフェイスマスクの孔の形状とサイズは均一ではありませんでしたが、ImageJソフトウェアを使用して各糸間孔の最長寸法を測定することにより、糸間孔のサイズに関する定量的情報を抽出しようとしました。 測定により、各コミュニティフェイスマスクの糸間孔のサイズの推定値が得られました。CFM-A-2L、CFM-E-3L、CFM-J-3L では、それぞれ約 150 μm、330 μm、および 900 μm でした (図.3および補足表S3)。 これは、CFM-A-2L の濾過効率が最も高く、CFM-J-3L の濾過効率が最も低かった理由をおそらく説明できると考えられます。 医療用フェイスマスクは通常、3 層のポリプロピレン不織繊維 (スパンバウンド層、メルトブローン層、スパンバウンド層) で構成されています。 医療用フェイスマスクのメルトブローン層の孔径は約 20 μm であると推定されています 28,29。 さまざまなコミュニティフェイスマスクと比較してメルトブローン層の孔径が小さいことが、濾過効率の高さの原因である可能性があります。

3つのコミュニティフェイスマスクと医療用フェイスマスクの微細構造の光学顕微鏡画像。 (倍率 4 倍、赤いスケールバーは 100 μm に相当します)。 すべてのCFMの光学顕微鏡画像を補足の図S1に示します。

この研究で調査された CFM の場合、マスクの層の数は最も影響力のあるパラメーターではありませんでした。 3 層マスクである CFM-J-3L の BFE が最も低く、2 層マスクである CFM-A-2L の BFE が最も高かったです。 この場合、非常に大きな孔径を持つ生地を重ねても、必ずしも BFE や DP が改善されるわけではないようです。

結果 (図 2) に基づいて、マスクの 4 つのカテゴリを特定できます。

まず、優れた BFE (> 98% (タイプ II)) と低い DP (≤ 40 Pa cm-2) を備えた医療用​​フェイス マスクは、タイプ II の医療用フェイス マスクの要件に準拠しています。

CFM-A-2L は、優れた BFE (> 95% (タイプ I)) と低い DP (< 40 Pa cm−2) を有し、タイプ I の医療用フェイスマスクとして分類できます。

CFM-B-3L は、BFE は良好 (> 95% (タイプ I)) ですが、DP (≈60 Pa cm−2) が高すぎるため、ろ過が良好であるため、タイプ I の医療用フェイスマスクとして分類できません。効率性は劣悪な通気性を犠牲にして得られました。

そして最後に、他の 8 つの社会用フェイスマスクは、医療用フェイスマスクの要件 (70% < BFE < 95%) に従って不適切な BFE を持ち、適切な DP (< 40 Pa cm-2) でした。

マスクが効果的であるためには、粒子を濾過することと、人が楽に呼吸できることの両方が必要です。 コミュニティ用フェイスマスクの製造には通常、BFE と DP の間の妥協が必要であり、場合によっては、CFM-B-3L で見られるように、BFE を高くすると DP が高くなって通気性が低くなります。 コミュニティ用フェイスマスクの結果によれば、医療用フェイスマスクと同様の機能を備えたコミュニティ用フェイスマスクが可能であることが実証されました。 実際、コミュニティ用フェイスマスク 10 枚のパネルのうち、タイプ I の医療用フェイスマスクの BFE および DP 要件を満たしているのは 1 枚だけでしたが、この研究で選択された医療用フェイスマスクのようなタイプ II の要件を達成することはできませんでした。 地域のフェイスマスクは洗濯するように作られており、これによって性能が変化する可能性があるため、研究の次の部分では洗濯パラメーターの影響を評価することを目指しています。 タイプ I (CFM-A-2L、CFM-B-3L) の BFE 要件を尊重したコミュニティ用フェイス マスクのみが選択され、医療用フェイス マスクと比較されました。

まず、EN 14683:2019 規格で要求されるパラメーター (BFE および DP) のみに焦点を当て、洗濯前後のマスクの顔へのフィット特性はテストされていないことを強調しなければなりません。 フェイスシールの漏れは、ろ過効率よりも着用者のエアロゾルやバクテリアへの曝露に強い影響を与える可能性があり、マスクを激しく洗ったり脱水したりするとマスクの形状や顔へのフィット感が変化する可能性があることが知られています。 ただし、本質的に、この研究で使用されたマスクは、FFP2 マスクや KN95 マスクなどの他のタイプのフェイスマスクとは異なり、「きつく」着用するように設計されていないことを指摘したいと思います。 したがって、医療用マスクの顔へのフィット特性は、EN 14683:2019 規格の規制で要求される特性ではありません (サージカル マスクは完全に密着するように設計されていません)。 したがって、(FFP マスクの標準とは異なり) サージカル マスクのこの特性を測定するための承認された規制プロトコルはありません。

洗濯サイクルの効果を評価するために、マスクを洗濯用洗剤を使用して 60 °C で 10 回、30 回、および 50 回洗浄しました。 BFE と DP の結果を図 4 に示します。グラフ (図 4b) から、洗浄は医療用フェイスマスクとコミュニティ用フェイスマスクの差圧に大きな影響を与えなかったことがわかります。

洗濯サイクルが及ぼす影響：（a）細菌濾過効率（%）および（b）医療用フェイスマスクおよびコミュニティ用フェイスマスクの差圧（Pa cm−2）。 平均値 (N = 5) ± 標準偏差。

コミュニティ用フェイスマスクに関しては、洗濯サイクルは BFE に大きな影響を与えず、したがって最大 50 回の洗濯まで性能を維持することができました。 これは Sankhyan らによる以前の研究 30 と一致しており、彼らは地域のフェイスマスクは粒子濾過効率を大幅に損なうことなく 52 回洗濯できることを発見した。 医療用フェイスマスクの場合、マスクを洗濯すると BFE が 1% 減少しましたが、その DP は 50 回の洗濯まで一定のままでした。 Alcaraz ら 17 も、医療用フェイスマスクを洗浄すると BFE がわずかに低下することを観察しましたが、濾過や通気性の特性がさらに低下することなく、最大 10 回まで洗浄できると結論付けています。 医療用フェイスマスクの洗浄効率が低下する理由は、「マスクの性能に対する洗剤の使用の影響」セクションで説明する静電気の損失によるものです。

新しい医療用フェイスマスクと洗浄済みの医療用フェイスマスク（メルトブローン層）およびコミュニティ用フェイスマスクのSEM画像を図5に示します。新しいコミュニティ用フェイスマスクは、全体的に無傷で比較的滑らかな質感を備えた繊維束（糸）を示しました。 10回の洗浄後、繊維束から個々の繊維がいくらか遊離し、50回の洗浄後にわずかに増加した個々の繊維の分解がいくらかありました（図5a、b）。 しかし、解放と解体にもかかわらず、繊維束は全体的に無傷のままであったため、これはマスクの性能に影響を与えていないようでした。 医療用フェイスマスクの場合、破損を示したメルトブローン繊維はほとんどありませんでした (図 5c)。

以下のSEM画像（倍率200倍、スケールバーは100μmに相当）：（a）CFM-A-2L、（b）CFM-B-3L、（c）医療用フェイスマスクのメルトブローン層。 さまざまな洗濯サイクル数にさらされた新しいマスクと洗浄済みのマスクについて。

マスクの性能に対する洗濯温度の影響は、洗濯サイクル数を 10 に保ち、各洗濯に洗剤を使用しながら、温度を 30 °C と 60 °C で変化させることによって研究されました。 マスクの BFE と DP の結果を図 6a、b に示します。

医療用フェイスマスクとコミュニティ用フェイスマスクの (a) 細菌濾過効率 (%) および (b) 差圧 (Pa cm−2) に対する洗浄温度の影響 平均値 (N = 5) ± 標準偏差。

コミュニティのフェイスマスクに関しては、温度はマスクの性能 (BFE と通気性) に大きな影響を与えていないようです。 SEM画像（補足図S2a、bを参照）は、温度ではなくマスクが10回洗浄されたことに起因する、洗浄された繊維の同様の分解レベルを示しました。 すべての場合において、繊維束は全体的に無傷でした。

医療用フェイスマスクの場合、新しいマスクと比較して洗浄後のマスクの BFE は減少しましたが、洗浄温度は BFE に影響を与えないようでした。 医療用フェイスマスクのメルトブローン層はコロナ効果により静電気を帯び、粒子収集効率を高めます。 充電の安定性は温度の影響を受ける可能性があります。 Liu ら 31 は、エレクトレットメルトブローン層をいくつかの温度でさまざまな時間 (1 ～ 24 時間) で熱処理し、70 °C 未満では濾過効率への影響は 24 時間の処理までは最小限であったが、温度が上昇すると濾過効率に与える影響は最小限であることに気づきました。処理温度を 90 または 110 °C に上昇させると、処理時間の増加に伴ってろ過効率が大幅に低下しました。 彼らは、温度が高くなると電荷の逃げ/損失が増加し、その後静電効果が減少するという事実に起因すると考えました。 この研究で研究された温度はエレクトレット層の帯電安定性に影響を与えるほど高くはなく、BFE に影響がなかった理由を説明できる可能性があります。 SEM画像（補足図S2cを参照）も、温度が繊維形態に影響を及ぼさないことを示しています。 最後に、医療用フェイスマスクの DP も温度変化の影響を受けませんでした。

マスクを洗剤の使用と使用なしで 60 °C で 10 回洗浄し、洗剤の使用がマスクの性能に及ぼす影響を調べました。 BFE と DP の結果を図 7a、b に示します。

医療用フェイスマスクとコミュニティ用フェイスマスクの(a)細菌濾過効率(%)および(b)差圧(Pa cm−2)に対する洗剤の影響。 平均値 (N = 5) ± 標準偏差。

洗剤の存在は、地域のフェイスマスクの BFE と DP に大きな影響を与えていないようでした。 SEM分析（補足図S3a、bを参照）でも、繊維の形態は洗剤の使用によって大きな影響を受けず、再び繊維の分解は洗濯サイクルの数に起因することが示されました。 補足図S3cに示すように、医療用フェイスマスクの繊維形態は、洗剤の使用によっても大きな影響を受けませんでした。

医療用フェイスマスクに関しては、洗剤を使用せずに洗ったマスクの BFE は新品のマスクの BFE と同様でしたが、マスクを洗剤で洗った場合は BFE が低下しました。 これは、洗剤の存在がおそらく医療用フェイスマスクの BFE 損失の原因であることを示しています。 洗剤に含まれる洗浄剤は表面に結合し、エレクトレットメルトブローン層の静電荷の損失を引き起こす可能性があります 32、33、34、35。 この観察は、Charvet et al.16 および Alcaraz et al.17 によっても強調されました。 図 8 に示すように、効率の低下はサブミクロンの粒子 (衝突プレート収集サイズ 1.1 ～ 0.65 μm) でのみ観察されました。 1 μm を超える粒子の場合は慣性衝突および/または直接遮断が主要な粒子捕捉メカニズムですが、サブミクロンの場合はそうではありません。粒子サイズその他の機構、特に静電気機構が重要な役割を果たします。

医療用フェイスマスクのスペクトル細菌濾過効率 (%) に対するさまざまな洗浄条件の影響 平均値 (N = 5) ± 標準偏差。

静電気効果の喪失は、柔軟剤に含まれるカチオン性界面活性剤の存在に起因すると考えられます。 これらの化合物、特にエステルクアットは優れた帯電防止特性を備えており、静電荷の蓄積を防ぐために使用されます。 このように、洗剤の成分がろ過効率の低下に大きく影響していることは確かです。 したがって、洗剤によって引き起こされる静電荷の損失により、サブミクロン粒子の濾過効率が低下する傾向があります。 Charvet et al.16 と Alcaraz et al.17 は、イソプロパノール中で医療用フェイスマスクを放電させることによってエレクトレット効果の損失を模倣しました。 彼らの結果は、イソプロパノールへの浸漬によって放電されたマスクの分光濾過効率が、洗浄されたマスクの分光濾過効率と同様であることを示した。

最近の新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックにより、世界中でフェイスマスクの使用に対する需要が高まっています。 パンデミックの初期段階での不足と使い捨て医療用フェイスマスクの寿命終了による環境への影響により、これらのマスクの再利用性と再利用可能な地域でのフェイスマスクの使用が関心を集めています。

1 つのコミュニティ用フェイスマスク (つまり、タイプ IIR 医療用フェイスマスクの適合限界内にある CFM-B-3L) を除いて、テストされたすべてのマスクは、タイプ I およびタイプ II のカテゴリーの通気性要件を満たしていました。医療用フェイスマスク（すなわち、DP < 40 Pa cm-2）。 医療用フェイスマスクは 99% という最高の BFE を持ち、タイプ II 医療用フェイスマスク規格に準拠していました。 対照的に、コミュニティのフェイスマスクの BFE にはばらつきがあり、BFE は 73 ～ 97% の範囲でした。 95% (タイプ I の医療用フェイスマスク要件に対応する BFE 値) を超える BFE を示したのは、2 つのコミュニティ用フェイスマスク (CFM-A-2L および CFM-B-3L) だけでした。 マスク、特にコミュニティフェイスマスクの性能のばらつきは、生地の特性、特に孔径に起因すると考えられます。

コミュニティ用フェイスマスクの結果は、BFE と通気性の間で妥協する必要があるとしても、タイプ I の医療用フェイスマスク (例:CFM-B-) と同様の性能を持つコミュニティ用フェイスマスクを使用することが可能であることを明確に示しています。 3L）。

洗浄パラメーターの影響を評価するために、タイプ I の医療用フェイス マスク (CFM-A-2L、CFM-B-3L) の BFE 要件を遵守したマスクのみが選択され、医療用フェイス マスクと比較されました。 洗剤を使用または使用せずに、60 °C および 30 °C で洗浄と乾燥を 10、30、および 50 回繰り返しました。

医療用フェイスマスクの場合、タイプ II マスクの BFE および DP 要件はまだ満たしていますが、洗濯により BFE がわずかに減少しました (約 1%)。 界面活性剤の存在がこの減少の原因であり、メルトブローン層の静電荷の損失によりサブミクロン粒子の収集効率にのみ影響を与えることが観察された。 医療用フェイスマスクを洗って再利用することは、パンデミック状況下での医療用フェイスマスクの供給と環境への影響に取り組む解決策となり得ます。 医療用フェイスマスクが良好な形状を維持し、快適に着用できる場合、細菌濾過効率と通気性を大幅に損なうことなく、非医療環境で最大 50 回使用できます。

コミュニティのフェイスマスクの場合、さまざまなパラメーターは BFE と DP に影響を与えませんでした。 SEM 分析中に繊維のわずかな遊離と分解が観察されましたが、繊維糸は全体的に無傷でした。 したがって、CFM は、性能を大幅に低下させることなく、数回洗浄して再利用できます。

結論的には、タイプ II の医療用フェイス マスクが最も効率的でしたが、コミュニティ用フェイス マスク 10 枚のパネルに基づくと、10% は標準のタイプ I の医療用フェイス マスクと同等の性能 (新品時および洗濯後) を持っています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

王CCら。 呼吸器系ウイルスの空気感染。 サイエンス 373、eabd9149 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Feng, S. et al. 新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックにおけるフェイスマスクの合理的な使用。 ランセットレスピア。 医学。 8、434–436 (2020)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

欧州疾病管理センター。 EU/EEA および英国における 2019 年コロナウイルス感染症 (COVID-19) - 第 11 回の更新: 感染者数の再増加。 （2020年）。

ウォービー、CJ & チャン、HH 新型コロナウイルス感染症のパンデミック中の一般人口におけるフェイスマスクの使用と最適なリソース配分。 ナット。 共通。 11、1–9 (2020)。

記事 ADS Google Scholar

Liang、M.ら。 呼吸器ウイルス感染予防におけるフェイスマスクの有効性:系統的レビューとメタ分析。 トラベルメッド。 感染する。 ディス。 36、101751 (2020)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Y. et al. フェイスマスクの使用、消毒、ソーシャルディスタンスによる家庭内でのSARS-CoV-2の二次感染の減少：中国北京でのコホート研究。 BMJ グローブ。 癒す。 5、2794 (2020)。

CAS Google スカラー

欧州疾病予防管理センター (ECDC)。 地域社会でのフェイスマスクの使用 フェイスマスクの使用により、無症状の可能性がある人々または発症前の人々からの新型コロナウイルス感染症の感染を軽減します。 （2020年）。

Bourrous, S. et al. 新型コロナウイルス感染症パンデミックの状況下でメディアをカバーするコミュニティの顔のパフォーマンス評価と研究室間比較。 エアゾールエアクォール。 解像度 21、1 (2021)。

記事 Google Scholar

紺田 明 ほか呼吸用布マスクに使用される一般的な生地のエアロゾル濾過効率。 ACS Nano 14、6339–6347 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

クラップ、PW et al. 新型コロナウイルス感染症のパンデミックにおける公衆の個人用保護具としての布マスクと改良手順マスクの評価。 JAMAインターン。 医学。 181、463–469 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

NU ベンソン、デラウェア州バッシー、T パラニサミ。 ヘリヨン 7、e06343 (2021)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

Prata、JC、Silva、ALP、Walker、TR、Duarte、AC、Rocha-Santos、T。プラスチックの使用と管理における新型コロナウイルス感染症パンデミックの影響。 環境。 科学。 テクノロジー。 54、7760–7765 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Du, H.、Huang, S. & Wang, J. 新型コロナウイルス感染症のパンデミックに関連した使い捨てフェイスマスクのポリマー材料の環境リスク。 科学。 トータル環境。 815、152980 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

アリソン、AL 他。 新型コロナウイルス感染症の出口戦略の一環として使い捨てマスクを採用することによる環境上の危険性。 UCLオープン環境。 準備中。 https://doi.org/10.14324/111.444/000031.V1 (2020)。

記事 Google Scholar

シュムッツ、M.ら。 綿マスクとサージカルマスク—その持続可能性に関連する生態学的要因は何ですか? 持続する。 12、10245 (2020)。

記事 Google Scholar

Charvet、A. et al. フェイスマスクの性能に対する洗濯サイクルの影響。 J.エアロゾルサイエンス。 160、105914 (2022)。

記事 ADS CAS Google Scholar

アルカラス、JP et al. 安全性を犠牲にすることなく、家庭や地域社会の環境で医療用フェイスマスクを再利用: 新型コロナウイルス感染症のパンデミックから得られる、生態学的かつ経済的な教訓。 Chemosphere 288、132364 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ウィルソン、AM et al. 新型コロナウイルス感染症と非従来型マスクの使用: マスク着用者の感染リスクを軽減する上で、さまざまな素材をどのように比較しますか? J. 病院感染する。 105、640–642 (2020)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Morais、FG et al. ブラジルで一般的に使用されている大規模な新型コロナウイルス感染症用フェイスマスクの濾過効率。 エアロゾル科学。 テクノロジー。 55、1028–1041 (2021)。

論文 ADS MathSciNet CAS Google Scholar

Kähler, CJ & Hain, R. 飛沫感染に対するフェイスマスクの基本的な保護メカニズム。 J.エアロゾルサイエンス。 148、105617 (2020)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

EN 14683+AC - 欧州規格。 医療用フェイスマスク - 要件とテスト方法。 （2019年）。 で入手可能です (2021 年 4 月 7 日にアクセス)。 https://www.en-standard.eu/csn-en-14683-ac-medical-face-masks-requirements-and-test-methods/

Pourchez、J. et al. 医療用フェイスマスクの細菌濾過効率を評価する標準的な方法に関する新たな洞察。 科学。 議員 11、5887 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hinds、WC エアロゾル技術: 特性。 エアロゾルテクノロジー。 適切な行動。 測定。 空中パート。 (第2504号(1999年)。

Wang、CS 繊維フィルター内の静電気力 - レビュー。 パウダーテクノロジー。 118、166–170 (2001)。

記事 CAS Google Scholar

クォン、LHら。 フェイスマスク用の一般的な家庭用材料の通気性と濾過効率のレビュー。 ACS Nano 15、5904–5924 (2021)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Neupane, BB、Mainali, S.、Sharma, A. & Giri, B. フェイスマスクの表面形態とフィルター効率の光学顕微鏡研究。 PeerJ 2019、e7142 (2019)。

記事 Google Scholar

Adanur, S. & Jayswal, A. フェイスマスクの濾過メカニズムと製造方法: 概要。 J Ind Texttiles https://doi.org/10.1177/1528083720980169 (2020)。

記事 Google Scholar

Zhao、M.ら。 自家製布製フェイスカバー用の家庭用材料の選択と摩擦帯電による濾過効率の向上。 ナノレット。 20、5544–5552 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Ju、JTJ、Boisvert、LN & Zuo、YY 新型コロナウイルス感染症に対するフェイスマスク：規格、有効性、試験、除染方法。 上級コロイド界面科学。 292、102435 (2021)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sankhyan, S. et al. 重ねマスクやフェイスカバーの濾過性能と、コットンマスクの洗濯と乾燥を繰り返した後の再利用可能性。 エアゾールエアクォール。 解像度 21、210117 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Liu, C.、Dai, Z.、He, B. & Ke, QF エレクトレットメルトブローン不織布の濾過性能に対する温度と湿度の影響。 材料 (バーゼル)。 13、1–12 (2020)。

記事 Google Scholar

Viscusi, DJ、Bergman, MS、Eimer, BC & Shaffer, RE 面体マスクのフィルタリングのための 5 つの除染方法の評価。 アン。 占領する。 ヒュグ。 53、815–827 (2009)。

CAS PubMed Google Scholar

Chua, MH et al. 新型コロナウイルス感染症の新たな常態におけるフェイスマスク: 素材、テスト、視点。 研究 2020、1–40 (2020)。

記事 Google Scholar

TH リンら。 14.6 ～ 594 nm のエアロゾル粒子をフィルタリングするエレクトレット マスクのフィルタ品質: 5 つの除染方法の影響。 PLoS ONE 12、e0186217 (2017)。

論文 PubMed PubMed Central Google Scholar

Hossain、E. et al. 除染された N95 マスクの再充電と再生。 物理学。 流体 32、093304 (2020)。

記事 ADS CAS Google Scholar

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著者らは、すべての技術的支援について、IMT Atlantique のエネルギーシステム環境局 (DSEE) の技術チームとサンテティエンヌ鉱山の生物材料および吸入粒子局 (BioPI) に感謝したいと思います。 通気性の実験装置を製作してくれた Nicolas Curt に感謝します。 マスクの洗浄を手伝ってくれたMathilde Escotにも感謝します。

著者らは、サンテティエンヌ メトロポールと IMT (Institut Mines-Télécom) からの財政的支援を認めています。

Saint-Etienne Mines, INSERM, U 1059 Sainbiose, CIS Center, Lyon University, Jean Monnet University, 42023, Saint-Etienne, France

ヘンリエッタ・エッシー・ホワイト、ララ・ルクレール、グウェンドリン・サリー、ジェレミー・プルシェ

IMT Atlantique、CNRS、GEPEA、UMR 6144、4 rue Alfred Kastler、44307、ナント、フランス

ヘンリエッタ・エッシー・ホワイト、オーレリー・ジュベール、ローレンス・ル・コック

CIRI (国際感染症研究センター)、GIMAP チーム、INSERM、U1111、CNRS UMR5308、ENS de Lyon、UCB Lyon 1、リヨン大学、サンテティエンヌ大学、サンテティエンヌ、フランス

ポール・バーホーベン

サンテティエンヌ大学病院、感染症および衛生研究所、サンテティエンヌ、フランス

ポール・バーホーベン

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PV と JP は細菌濾過実験を設計しました。 HW が実験を実施して原稿を執筆し、著者全員が原稿のレビューに貢献しました。

ジェレミー・プルシェスへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

ホワイト、HE、ジュベール、A.、ルクレール、L. 他。 コミュニティ用および医療用フェイスマスクの細菌濾過効率と通気性に対する洗濯パラメーターの影響。 Sci Rep 12、15853 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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受信日: 2022 年 5 月 6 日

受理日: 2022 年 9 月 12 日

公開日: 2022 年 9 月 23 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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科学レポート (2023)

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