Eine bessere Art von Gesichtsmaske: Forscher entwickeln virustötende Masken

Von Rensselaer Polytechnic Institute, 1. Juli 2022

Forscher haben antivirale N95-Masken entwickelt, die potenziell länger getragen werden können und so den Abfall reduzieren.

Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute haben eine praktische Methode zur Herstellung von N95-Gesichtsmasken entwickelt, die sowohl eine hervorragende Keimbarriere als auch eine Keimtötung bei Kontakt darstellen. Die antiviralen und antibakteriellen Masken können über einen längeren Zeitraum getragen werden, was zu weniger Plastikmüll führen würde, da die Masken nicht so oft ausgetauscht werden müssten.

Um infektiöse Atemwegserkrankungen und Umweltverschmutzung zu bekämpfen, arbeitete Helen Zha, Assistenzprofessorin für Chemie- und Biotechnik und Mitglied des Zentrums für Biotechnologie und interdisziplinäre Studien in Rensselaer (CBIS), mit Edmund Palermo, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik, zusammen und Mitglied des Center for Materials, Devices, and Integrated Systems (cMDIS) in Rensselaer.

„Dies war eine vielschichtige Herausforderung im Bereich Werkstofftechnik mit einem großartigen, vielfältigen Team von Mitarbeitern“, sagte Palermo. „Wir glauben, dass die Arbeit der erste Schritt hin zu länger haltbarer, selbststerilisierender persönlicher Schutzausrüstung wie dem N95-Atemschutzgerät ist. Sie kann dazu beitragen, die Übertragung von Krankheitserregern in der Luft im Allgemeinen zu reduzieren.“

Laut der Studie, die kürzlich in Applied ACS Materials and Interfaces veröffentlicht wurde, haben die Forscher erfolgreich antimikrobielle Breitbandpolymere auf die Polypropylenfilter aufgepfropft, die in N95-Gesichtsmasken verwendet werden.

Eine N95-Atemschutzmaske ist so konzipiert, dass sie sehr eng am Gesicht anliegt und hochwirksame Partikelfilterung ermöglicht.

„Die aktiven Filterschichten in N95-Masken reagieren sehr empfindlich auf chemische Veränderungen“, sagte Zha. „Dadurch kann sich die Filterleistung verschlechtern, sodass sie praktisch nicht mehr wie N95 funktionieren. Sie bestehen aus Polypropylen, das sich nur schwer chemisch modifizieren lässt. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass man die sehr feine Struktur nicht zerstören darf.“ Es gibt ein Fasernetzwerk in diesen Masken, das das Atmen erschweren könnte.

Zha und Palermo befestigten zusammen mit anderen Forschern von Rensselaer, dem Michigan Technological Institute und dem Massachusetts Institute of Technology antimikrobielle quartäre Ammoniumpolymere kovalent an den Faseroberflächen von Polypropylen-Vliesstoffen mithilfe einer durch Ultraviolett (UV) initiierten Pfropfung. Die Stoffe wurden von Hills Inc. mit freundlicher Genehmigung des Rensselaer-Alumnus Tim Robson gespendet.

„Der von uns entwickelte Prozess nutzt eine wirklich einfache Chemie, um diese nicht auslaugende Polymerbeschichtung zu erzeugen, die Viren und Bakterien abtöten kann, indem sie im Wesentlichen ihre äußere Schicht aufbricht“, sagte Zha. „Es ist sehr einfach und eine potenziell skalierbare Methode.“

Das Team verwendete in seinem Verfahren ausschließlich UV-Licht und Aceton, die weit verbreitet sind, um die Umsetzung zu vereinfachen. Darüber hinaus kann das Verfahren auf bereits hergestellte Polypropylenfilter angewendet werden, ohne dass neue entwickelt werden müssen.

Das Team stellte zwar einen Rückgang der Filtereffizienz fest, als das Verfahren direkt auf die Filterschicht von N95-Masken angewendet wurde, die Lösung ist jedoch unkompliziert. Der Benutzer könnte eine unveränderte N95-Maske zusammen mit einer weiteren Polypropylenschicht mit dem antimikrobiellen Polymer darüber tragen. Zukünftig könnten Hersteller eine Maske herstellen, bei der das antimikrobielle Polymer in die oberste Schicht eingearbeitet ist.

Dank eines RAPID-Stipendiums der National Science Foundation begannen Zha und Palermo mit ihrer Forschung im Jahr 2020, als N95-Gesichtsmasken knapp waren.

Healthcare workers were even reusing masks that were intended to be single-use. Fast forward to 2022 and face masks of all types are now widely available. However, COVID-19First identified in 2019 in Wuhan, China, COVID-19, or Coronavirus disease 2019, (which was originally called "2019 novel coronavirus" or 2019-nCoV) is an infectious disease caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2). It has spread globally, resulting in the 2019–22 coronavirus pandemic." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Die COVID-19-Raten sind immer noch hoch, die Gefahr einer weiteren Pandemie in der Zukunft ist durchaus möglich und auf Mülldeponien häufen sich Einwegmasken.

„Hoffentlich sind wir auf der anderen Seite der COVID-Pandemie“, sagte Zha. „Aber diese Art von Technologie wird immer wichtiger. Die Gefahr von Krankheiten, die durch Mikroben in der Luft verursacht werden, verschwindet nicht. Es ist an der Zeit, dass wir die Leistung und Nachhaltigkeit der Materialien verbessern, die wir zu unserem Schutz verwenden.“

„Das Anbringen chemischer Gruppen, die Viren oder Bakterien bei Kontakt mit Polypropylen abtöten, ist eine kluge Strategie“, sagte Shekhar Garde, Dekan der School of Engineering in Rensselaer. „Angesichts der Fülle an Polypropylen im täglichen Leben ist diese Strategie vielleicht auch in vielen anderen Zusammenhängen nützlich.“

Die Studie wurde vom NIH/National Institutes of Health finanziert.

Referenz: „Viruzide N95-Atemschutzmasken über ultradünne oberflächenveredelte quartäre Ammoniumpolymerbeschichtungen“ von Mirco Sorci, Tanner D. Fink, Vaishali Sharma, Sneha Singh, Ruiwen Chen, Brigitte L. Arduini, Katharine Dovidenko, Caryn L. Heldt, Edmund F. Palermo und R. Helen Zha, 25. Mai 2022, ACS Applied Materials and Interfaces.DOI: 10.1021/acsami.2c04165