Filtrationseffizienz von medizinischen und öffentlichen Gesichtsmasken unter Verwendung viraler und bakterieller Bioaerosole

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7115 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Gesichtsmasken werden in Gemeinschaftseinrichtungen oft empfohlen, um die Übertragung von Atemwegsviren oder Bakterien über die Luft zu verhindern. Unser erstes Ziel war die Entwicklung einer Versuchsbank zur Bewertung der Virusfiltrationseffizienz (VFE) einer Maske mit einer Methodik, die der normativen Messung der Bakterienfiltrationseffizienz (BFE) ähnelt, die zur Bestimmung der Filtrationsleistung medizinischer Masken verwendet wird. Unter Verwendung von drei Kategorien von Masken mit zunehmender Filterqualität (zwei Arten von Community-Masken und ein Typ von medizinischen Masken) lagen die gemessenen Filterleistungen dann zwischen 61,4 und 98,8 % des BFE und zwischen 65,5 und 99,2 % des VFE. Eine starke Korrelation (r = 0,983) zwischen der Bakterien- und Virenfiltrationseffizienz wurde für alle Maskentypen und für die gleiche Tröpfchengröße im Bereich von 2–3 µm beobachtet. Dieses Ergebnis bestätigt die Relevanz der Norm EN14189:2019, bei der bakterielle Bioaerosole zur Bewertung der Maskenfiltration verwendet werden, um auch die Leistung von Masken unabhängig von ihrer Filtrationsqualität gegen virale Bioaerosole zu extrapolieren. Tatsächlich scheint es so zu sein, dass die Filtereffizienz von Masken (für Mikrometer-Tröpfchengrößen und kurze Bioaerosol-Einwirkungszeiten) hauptsächlich von der Größe des in der Luft befindlichen Tröpfchens und nicht von der Größe des in diesem Tröpfchen enthaltenen Infektionserregers abhängt.

Die Übertragung von Aerosolpartikeln ist einer der Hauptwege für die Übertragung von Infektionserregern über die Atemwege. Es ist definiert als der Übergang pathogener Mikroorganismen (Bakterien oder Viren) von einer Quelle zu einer Person durch infektiöse Aerosole, die bei Ausatmungsereignissen freigesetzt werden, die Aerosole erzeugen, wie z. B. Atmen, Husten, Sprechen, Singen und Niesen1. Beispielsweise kann ein einziges Niesen bis zu 40.000 Aerosolpartikel freisetzen2. Aus physikalischer Sicht entspricht der Begriff „Aerosol“ einem heterogenen Gemisch aus in der Luft schwebenden Partikeln, fest oder flüssig, die in einem Gas suspendiert sind und eine relativ niedrige Sinkgeschwindigkeit3 aufweisen (d. h. typischerweise in der Luft befindliche Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 100 µm). In der medizinischen Literatur findet sich jedoch seit Jahrzehnten häufig eine willkürlich (und für einen Aerosolwissenschaftler irreführend) erscheinende Unterscheidung zwischen „luftgetragenen“ Partikeln mit einem Durchmesser von weniger als 5 µm und „Tröpfchen“ mit einem Durchmesser von mehr als 5 µm3. Diese Verwirrung , die aus der traditionellen medizinischen Sprache stammt, hat manchmal zu wissenschaftlich unbegründeten terminologischen Unterscheidungen zwischen der sogenannten „Luftübertragung“ und „Tröpfchen“-Übertragung geführt. Wenn Menschen nämlich Aerosolpartikel (von räumlich und zeitlich variabler Größe, weil sie immer dynamisch sind) einatmen können vorübergehende Phänomene), die hauptsächlich aus Tröpfchen bestehen, die Krankheitserreger enthalten (aus Körpersekreten und Ausscheidungen), wir atmen immer flüssige Partikel in der Luft ein, unabhängig von ihrer Größe4.

Physikalisch gesehen erfolgt die Übertragung von Atemwegserregern daher in beiden Fällen („Luftübertragung“ und „Tröpfchenübertragung“) durch unterschiedlich große Aerosolpartikel5. Mit anderen Worten: Unabhängig davon, ob die Übertragung des Erregers „durch die Luft“ oder durch „Tröpfchen“ erfolgt, kann sie in allen Fällen nur über Aerosole erfolgen. Es stimmt jedoch, dass die Art der Übertragung und die Kontrollmaßnahmen je nach den physikalischen Eigenschaften der Aerosolpartikel (einschließlich der Änderung ihres aerodynamischen Durchmessers in Raum und Zeit) variieren können. Wenn ein infektiöser Krankheitserreger einerseits hauptsächlich durch sich schnell absetzende Aerosolpartikel in den Atemwegen, sogenannte „Tröpfchen“, verbreitet wird, bestehen die primären Maßnahmen zur Übertragungskontrolle in der Reduzierung des direkten Kontakts, der räumlichen Distanzierung oder der Verwendung von Gesichtsmasken. Andererseits erfordert der Fall eines infektiösen Erregers, dessen Übertragung hauptsächlich „über die Luft“ erfolgt, Vorsichtsmaßnahmen wie die Belüftung des Raums, die Luftfilterung oder die Beachtung der Qualität und des Sitzes der Gesichtsmaske in Innenräumen.

Darüber hinaus ist allgemein anerkannt, dass die Vorbeugung von Infektionen durch luftübertragene Krankheitserreger (z. B. Grippe, Tuberkulose, Masern oder Coronavirus) durch die Verwendung einer Mund-Nasen-Bedeckung erleichtert werden kann3. Daher wird derzeit die Verwendung einer Gesichtsmaske empfohlen, um die Übertragung von Atemwegserkrankungen für medizinisches Personal, ansteckende Patienten und in einigen Fällen auch für die allgemeine Bevölkerung zu verhindern. Offensichtlich ist jede Maske besser als keine Maske, insbesondere im Hinblick auf den Schutz anderer. Durch das Tragen einer Maske wird ein relativ großer Teil der vom Maskenträger ausgestoßenen Viruströpfchen zurückgehalten und bietet somit einen hohen Schutz vor Bioaerosol-Ausstoß. Obwohl Masken so konzipiert sind, dass sie beim Ausatmen in erster Linie mit Krankheitserregern beladene, mikrometergroße Aerosolpartikel zurückhalten, bieten sie wahrscheinlich auch einen gewissen Selbstschutz beim Einatmen (normalerweise viel weniger, da flüssige Aerosolpartikel zwischen dem Ausatmen und Einatmen schrumpfen). Alles in allem tragen Gesichtsmasken erheblich dazu bei, das Infektionsrisiko für die umliegenden Personen zu verringern und können auch das Infektionsrisiko für den Maskenträger verringern, insbesondere wenn der Erreger durch größere Aerosolpartikel übertragen wird. Beispielsweise trug das im 19. Jahrhundert gewonnene Wissen über die Ansteckungsfähigkeit von Tuberkulose durch den Erreger Mycobacterium tuberculosis dazu bei, die Ausbreitung einzudämmen, indem die erste Maske entwickelt wurde, die Nase und Mund bedeckte6,7. Es wurde deutlich nachgewiesen, dass Gesichtsmasken, die von mit Tuberkulose infizierten Patienten getragen werden, die Übertragungsraten auf nicht infizierte Patienten erheblich senken können8.

In jüngerer Zeit hat die weltweite Coronavirus-Pandemie (COVID-19) die Frage nach der Übertragung viraler Atemwegserkrankungen aufgeworfen. Zu Beginn der Pandemie sprachen erste epidemiologische und virologische Studien für eine Tröpfchen- und Oberflächenübertragung. Anschließend haben zahlreiche Studien gezeigt, dass die Übertragung durch feine Aerosolpartikel, die lebensfähige Viruspartikel enthalten, einen der Hauptübertragungswege des schweren akuten respiratorischen Syndroms Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) in schlecht belüfteten Innenräumen darstellt1,9,10. Angesichts des Wissens über durch die Luft übertragene Krankheiten haben die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) und die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schon früh die universelle Verwendung von Masken befürwortet, um das Risiko einer SARS-CoV-2-Übertragung zu verringern11. Masken wurden angezeigt, um andere zu verhindern, indem sie das Ausatmen potenziell infektiöser Atemtröpfchen, die SARS-CoV-2 enthalten, in den Luftstrom begrenzen, aber in vielen Fällen auch, um den Träger zu schützen3. Das Auftreten von COVID-19 hat somit die Wirksamkeit der Maske bestätigt. Tatsächlich zeigen gesammelte Beweise, dass Gesichtsmasken eine entscheidende Barriere darstellen, die die Anzahl infektiöser Viren in der ausgeatmeten Luft verringert, insbesondere bei asymptomatischen oder präasymptomatischen Personen12,13,14. Eine Studie von Bagheri et al. (2021) zeigten, dass wenn eine nichtinfizierte Person eine OP-Maske trägt und eine infizierte Person ohne Maske spricht, das in diesem Fall erreichte maximale Risiko nach 30 Minuten für die nichtinfizierte Person 90 % beträgt. Wenn jedoch beide Personen OP-Masken tragen, beträgt das maximale Risiko auch nach einer Stunde weniger als 30 %15.

Unter den verschiedenen Kategorien von Gesichtsmasken sind medizinische Gesichtsmasken (MFMs) medizinische Einwegprodukte, die speziell dafür entwickelt wurden, die Verbreitung von Bioaerosolen vom Träger in die Umwelt zu verhindern. Sie unterliegen spezifischen Normen wie der europäischen Norm EN14683:201916 und müssen daher Leistungsanforderungen erfüllen, insbesondere im Hinblick auf die Bakterienfiltrationseffizienz (BFE). MFMs werden anhand ihrer BFE-Werte in zwei Typen eingeteilt. Masken vom Typ I (BFE ≥ 95 %) und Masken vom Typ II/IIR (BFE ≥ 98 %). Im Gegensatz dazu gibt es Community-Gesichtsmasken (CFMs) oder Stoffmasken in verschiedenen Designs und aus einer Vielzahl von Stoffen, obwohl sie nicht so effektiv sind wie MFMs. CFMs sind nicht für den Einsatz in einer Umgebung konzipiert, die ein hohes Maß an Hygieneschutz erfordert. Zahlreiche an CFMs durchgeführte Studien haben gezeigt, dass verschiedene Eigenschaften der Stoffe (Materialtyp, Stofftyp (gewebt oder gestrickt), Fasereigenschaften) ihre Filtration beeinflussen können17,18. CFMs können einfach als Anti-Sprühmasken betrachtet werden und werden typischerweise durch Waschen wiederverwendet. Im Gegensatz zu den MFMs, die streng reguliert und zertifiziert sind, sind CFMs weder standardisiert noch streng reguliert. Derzeit sind CFMs für die allgemeine Bevölkerung bestimmt und werden entsprechend ihrer Fähigkeit, Partikel mit einer Größe von 3 ± 0,5 μm zu filtern, in zwei Kategorien eingeteilt. Gemäß der AFNOR SPEC S76-001-Anforderung19 müssen die CFMs der Kategorie 1 eine Filtrationseffizienz von mehr als 90 % haben, während die CFMs der Kategorie 2 eine Filtrationseffizienz von mehr als 70 % haben müssen.

Die Maskenfiltration basiert auf verschiedenen Mechanismen: Schwerkraftsedimentation, Trägheitsimpaktion, Abfangen, Diffusion und elektrostatische Anziehung20. Aufgrund des erheblichen Einflusses vieler Faktoren auf die Leistung der Maskenfilterung (und vor allem des Maskentyps, z. B. CFMs vs. MFMs), ist die Aufklärung des Mechanismus des Eindringens von Bioaerosol in die Maske von großer Bedeutung. Der erste und dominierende Mechanismus ist die Filtration erregerbeladener Tröpfchen direkt durch das Filtermaterial. Dieser erste Schritt hängt hauptsächlich von der Größe und Geschwindigkeit des in der Luft befindlichen Tröpfchens für ein bestimmtes Filtermaterialdesign ab. Wenn jedoch kontaminierte flüssige Aerosolpartikel die äußere Oberfläche der Maske erreichen und die Oberfläche den ursprünglich darauf enthaltenen Krankheitserreger nicht zerstört, können Mikroorganismen beim Atmen über verschiedene Mechanismen (einschließlich Kapillaren) in die Maske eindringen20. Dieser zweite Schritt hängt hauptsächlich von der Größe und Anzahl der an der Außenfläche der Maske angesammelten Krankheitserreger ab, sofern die Einwirkungszeit für ein bestimmtes Filtermaterialdesign lang genug ist. Daher kann eine Maske häufig zum Sammler von Krankheitserregern werden, insbesondere wenn ihre Außenfläche kontaminierten Aerosolpartikeln ausgesetzt ist. Da Viren und Bakterien auf der Oberfläche der Maske oder sogar in der textilen Struktur der Masken verbleiben können, ist es offensichtlich gefährlich und unerwünscht, dass sie nach erfolgter Filterung der flüssigen Aerosolpartikel durch das Filtermaterial durch die Maske wandern können erreicht.

Die Bestimmung der Penetrations- und Ausbreitungsfähigkeiten von Mikroorganismen durch die Maske scheint daher eine große Herausforderung für die Bewertung des durch die Maske gebotenen Schutzes zu sein. Es ist wichtig, die Filtration von Bioaerosolen anhand des Prismas des Transports von Krankheitserregern, die in den flüssigen Vektoren der Luft enthalten sind, durch die Maske zu analysieren, anstatt sich nur mit der Untersuchung der Filtration dieser Aerosolpartikel an der Oberfläche des Filtermaterials zu befassen. Diese Arbeit wurde durchgeführt, um Aerosol-Flüssigkeitspartikel mit einer festen Größe (im Bereich des aerodynamischen Durchmessers zwischen 2 und 3 µm) und verschiedene Maskenqualitäten (ein MFM, ein CFM mit hervorragenden Leistungen usw.) zu untersuchen CFM mit geringer Filtrationseffizienz), der Einfluss der Größe des Krankheitserregers (ein Virus von 100 nm oder ein Bakterium von 1 µm) auf die Penetration durch die Maske. Mit anderen Worten: Da MFMs mit bakteriellen und nicht-viralen Bioaerosolen bewertet werden, können wir mit dieser Studie untersuchen, ob eine Extrapolation (für eine feste aerosolisierte Vektorgröße von einigen Mikrometern aerodynamischem Durchmesser) zwischen der bakteriellen Filtrationseffizienz ( BFE) und Virusfiltrationseffizienz (VFE).

In dieser Studie wurden drei Arten von Masken getestet: 2 CFMs (Firma Oriol & Fontanel, CFM Typ 1, Frankreich; Firma CJ Textile, CFM Typ 2, Frankreich) und ein MFM (Firma Bioserenity, Typ IIR, Frankreich) (Tabelle 1). Die Messungen wurden an Maskenproben mit einer Mindestgröße von 100 mm x 100 mm einschließlich aller Schichten durchgeführt. Gemäß der Norm EN14683:2019 wurden die Masken vor dem Test 4 Stunden lang bei 21 ± 5 °C und 85 ± 5 % relativer Luftfeuchtigkeit vorkonditioniert, um ein atmosphärisches Gleichgewicht zu erreichen. Für jeden Maskentyp wurden Experimente an mindestens fünf Proben durchgeführt, wobei die Innenseite der Maske mit in der Luft befindlichen Krankheitserregern in Kontakt kam.

Die mikroskopischen Analysen wurden mit einem Leica DM LB-Mikroskop mit einem C-Plan-Linsenmodell durchgeführt. Die Bilder wurden mit einer Bresser MikroCam SP 5.0 bei 4-facher Vergrößerung aufgenommen. Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde an den Oberflächen der Masken mit einem JEOL JSM-6500F durchgeführt. Die Proben wurden mit doppelseitigem Kohlenstoffband auf einem Messingträger befestigt und mit 14 nm Gold (Quorom Q 150R ES) beschichtet. Die Bilder wurden mit einer Strahlbeschleunigungsspannung von 5 keV aufgenommen. Bei Vliesstoffen (z. B. Meltblown oder MFM) sind die Fasern zufällig ausgerichtet. Im Gegensatz dazu enthalten gewebte und gestrickte Materialien (z. B. Schichten aus CFM) Garne (Faserbündel), die miteinander verflochten sind. Die Poren entstehen bei gewebten und gestrickten Stoffen in den Garnzwischenräumen, während sie bei Vliesfiltern durch kleine Zwischenräume zwischen einzelnen Fasern entstehen. Die Zwischenräume zwischen den Garnen wurden als Poren für die Community-Gesichtsmasken betrachtet. Obwohl die Porenform und -größe in Community-Gesichtsmasken nicht einheitlich war, haben wir versucht, quantitative Informationen über die Größe der Poren zwischen den Garnen zu gewinnen, indem wir die längste Abmessung jeder Pore zwischen den Garnen gemessen haben. Diese Messungen lieferten eine Schätzung der Größe einer Pore zwischen den Garnen in jeder Community-Gesichtsmaske (Tabelle 1).

Die Bewertung des BFE wurde gemäß der Norm EN14683:2019 (6) unter Verwendung eines zuvor entwickelten und dann validierten experimentellen Verfahrens durchgeführt17,21,22. Der verwendete Prüfstand entsprach den Spezifikationen der Norm mit geringfügigen Anpassungen (z. B. Größe der Aerosolkammer), was uns nicht daran hinderte, eine Akkreditierung durch eine externe Stelle zu erhalten, die die Gültigkeit der Messungen zur Erlangung der CE-Kennzeichnung nachweist. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Kurz gesagt wird ein Aerosolstrom mit einer bekannten Ladung an Staphylococcus aureus (ATCC 6538 bei 106 UFC/ml vor der Verdünnung) mit einem Vibrationsnetzvernebler (E-Flow, PARI GmbH, Starnberg, Deutschland). Anschließend wird das Bioaerosol mit einer Vakuumpumpe bei einer konstanten Durchflussrate von 28,3 l/min durch eine gläserne Aerosolkammer (445 mm lang und 60 mm Außendurchmesser) gesaugt. Maskenproben werden zwischen der Aerosolisierungskammer und einem funktionsfähigen sechsstufigen Andersen Cascade Impactor (ACI, Tisch Environmental, Miami, USA) angebracht. Das ACI führte dazu, das Bioaerosol entsprechend seiner Trägheit und damit seinem aerodynamischen Durchmesser zu sammeln und in 6 Größenfraktionen (im Bereich von 7 µm für die erste Stufe bis 0,65 µm für die sechste Stufe) zu klassifizieren. Auf jeder ACI-Stufe wird eine 90-mm-Kunststoff-Petrischale mit Agar-Kulturmedium als Impinger-Platte platziert, um die in der Luft befindlichen Bakterien für jede aerodynamische Größenfraktion zu sammeln. Die Norm EN14683:2019 schreibt zwei Hauptspezifikationen für das BFE-Normverfahren vor: (i) eine mittlere KBE-Anzahl für alle ACI-Stufen zwischen 1700 und 3000 KBE, (ii) eine mittlere Partikelgröße (MPS) von 3,0 ± 0,3 µm. Offensichtlich können diese beiden Aerosolspezifikationen (MPS und Gesamt-KBE) nur für Positivkontrollläufe gelten (denn bei Vorhandensein einer Maske und bei sehr effizienter Filterung ist es möglich und häufig, dass keine oder nur sehr wenige Bakterien durch die Probe gelangen Maske und erreichen Sie den Kaskadenimpaktor, um MPS und Gesamt-KBE zu messen). Der MPS-Parameter wird unter Verwendung der 50 % effektiven Grenzdurchmesser nach Gleichung berechnet. (1).

Der BFE-Versuchsaufbau gemäß der Norm EN14683:2019. (1) Zerstäuber, (2) Aerosolkammer, (3) Probenahmematerial, (4) Kaskadenimpaktor, (5) Filter, (6) Durchflussmesser, (7) Vakuumpumpe.

Berechnung der mittleren Partikelgröße (MPS). (Px, x = [1–6]) sind die Partikeldurchmesser, die einer 50-prozentigen Probenahmeeffizienz jeder der sechs Stufen entsprechen, und (Cx, x = [1–6]) ist die Anzahl der lebensfähigen Partikel, die aus jeder Stufe erhalten werden die sechs Petrischalen.

Ein Messzyklus für einen Maskentyp umfasst acht aufeinanderfolgende Tests. Zunächst wird eine Positivkontrolle durchgeführt, ohne dass eine Maske zwischen ACI und Aerosolkammer angebracht ist. Diese Positivkontrolle wurde verwendet, um die Anzahl der in jedem Test verwendeten lebensfähigen Partikel zu bestimmen (und somit zu überprüfen, ob die in der Norm EN14683:2019 geforderte Spezifikation im Bereich von 1700–3000 KBE liegt). Als nächstes werden fünf Experimente durchgeführt, um die Filtrationseffizienz der Masken (dh Testproben) zu messen, wobei die Maske für jedes Experiment am Einlass des ACI-Kaskadenimpaktors gewechselt wird. Anschließend wird ein zweites Positivkontrollexperiment durchgeführt. Schließlich endet dieser Zyklus aus acht aufeinanderfolgenden Experimenten mit einer Negativkontrolle, die aus dem Durchleiten von Luft ohne Zugabe von Krankheitserregern für 2 Minuten besteht (dies dient als Kontaminationsprüfung, um zu überprüfen, ob während des Positivdurchlaufs Bakterien/Viren abgelagert wurden und ob die Testproben vorhanden waren). nur aus der Bioaerosolquelle). Die Petrischalen, die die Bakterien in jeder Phase des ACI für die acht Experimente einfangen, wurden 22 ± 2 Stunden lang bei 37 ± 2 °C inkubiert. Die KBE wurden mit einem automatischen Kolonienzähler Scan 4000 (Interscience, Saint Nom la Bretèche, Frankreich) gezählt.

Der VFE-Test ist keine standardisierte Testmethode, sondern wurde aus dem in der Norm EN14683:2019 beschriebenen BFE-Test (und aus der experimentellen Methodik in „Bakterienfiltrationseffizienz (BFE)“) übernommen. Die Filtrationseffizienz wurde im BFE-Test mit dem Bakteriophagen phi11 (Labormaterial vom Centre International de Recherche en Infectiologie, GIMAP-Team, Université de Lyon, Inserm) anstelle von Staphylococcus aureus gemessen. Eine Suspension in PBS-Lösung von phi11 mit 108 PFU/ml (PFU für Plaque-bildende Einheit) wurde unter Verwendung eines vibrierenden Mesh-Zerstäubers (E-Flow, PARI GmbH) aerosolisiert. Derselbe Versuchsstand, der für den BFE-Test verwendet wurde, wird dann zur Durchführung des VFE-Tests verwendet, wie in Abb. 1 dargestellt. Kurz gesagt, das virale Bioaerosol wird mit einer Vakuumpumpe durch eine Glasaerosolkammer und einen ACI gesaugt und die Maskenproben werden dazwischen angebracht die Aerosolisierungskammer und die ACI. Aerosolisierte Bakteriophagen wurden in mit Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung (21-040-CV, Corning, Manassas, USA) gefüllten Petrischalen eingefangen, die in den ACI-Stufen platziert wurden (15 ml PBS pro Petrischale). Eine Bewertung der Lebensfähigkeit der gesammelten Viren (nicht neutralisiert) in jeder Phase des ACI erfolgt durch Zählen der Lyseflecken auf Columbia-Blutagarplatten, die mit Staphylococcus aureus RN4220 (Bakterienstamm, der empfindlich auf den Bakteriophagen Phi11 reagiert) geflutet sind. Anschließend werden die Platten 22 ± 2 h bei 37 °C inkubiert. Die PFU stellt die Anzahl der Partikel oder Tröpfchen viralen Aerosols dar. Der Messzyklus für jeden Maskentyp und die Berechnung des MPS wurden wie für die BFE-Methode beschrieben durchgeführt. Die PFU wurden manuell gezählt.

Die Filtrationseffizienz (FE) der Maske, ausgedrückt in Prozent, wird nach Gleichung berechnet. (2). Der FE-Parameter wurde bestimmt, indem die Anzahl der KBE für den BFE-Test (bzw. die Anzahl der PFU für den VFE-Test) gemessen wurde, die durch das Maskenmaterial strömten, im Vergleich zu einer Positivkontrolle ohne Filtermaterial, die am Einlass des ACI platziert wurde.

Dabei ist FE die Filtrationseffizienz, C der Mittelwert der beiden positiven Läufe der insgesamt sechs Bodenzählungen und T die Summe der sechs Bodenzählungen für jede Testprobe.

Statistische Analysen wurden mit GraphPad Prism 9.4.1 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA) durchgeführt. Ein Zwei-Wege-Anova-mit-Sidak-Post-hoc-Test wurde verwendet, um zu beurteilen, ob es signifikante Unterschiede zwischen den Ergebnissen der Filtrationseffizienz der BFE-Testmethode und der VFE-Testmethode gab. P-Werte < 0,05 wurden als signifikant angesehen. Korrelationskoeffizienten für den Vergleich der Filtrationseffizienz zwischen den Testmethoden wurden mit Excel ermittelt.

Tabelle 2 zeigt die Filtrationseffizienz für mit Bakterien und Viren beladene Tröpfchen ähnlicher aerodynamischer Größe (dh im Bereich von 2–3 µm) und ihre Standardabweichungen für die drei Arten von Maskenqualität (MFM, CFM1 und CFM2). Zunächst stellen wir fest, dass der mittlere MPS für den BFE-Test etwas höher ist als der mittlere MPS für den VFE-Test (2,9 ± 0,1 µm gegenüber 1,9 ± 0,2 µm). Somit wird über eine Änderung des MPS zwischen den BFE- und VFE-Experimenten berichtet, obwohl derselbe Prüfstand verwendet wurde. Die mögliche Quelle dieser MPS-Änderung kann durch eine geringfügige Änderung der physikalischen Eigenschaften der Lösung verursacht werden, die zum Suspendieren des Virus (für den VFE-Assay) oder der Bakterien (für den BFE-Assay) vor der Aerosolisierung verwendet wird. Tatsächlich ist bekannt, dass die Eigenschaften der Lösung (z. B. Viskosität oder Proteinkonzentration) eine Schlüsselrolle bei der Aerosolerzeugung und dem Verbleib der Aerosolpartikel spielen.

Trotz dieses Unterschieds von etwa 1 µm beim MPS (d. h. der Größe der mit Mikroorganismen beladenen Tröpfchen) für die BFE- und VFE-Tests unterstützen wir die Schlussfolgerung, dass die aerodynamischen Eigenschaften der Tröpfchen in diesem Bereich von 2–3 µm sehr ähnlich sind hinsichtlich der Filtrationseffizienz der Maske (mit anderen Worten, dieser geringfügige Unterschied in der Tröpfchengröße hat keinen Einfluss auf die resultierende Filtrationseffizienz). Dies ist unbedingt dann der Fall, wenn die Vektorgrößenverteilung ihren Höhepunkt zwischen 2 und 3 Mikrometern erreicht. Ein MPS im Bereich von 2–3 Mikrometern garantiert jedoch nicht, dass sich die Vektorgrößenverteilung auf diese Größe konzentriert. Dennoch bestätigen die von uns bereits veröffentlichten Daten zur Größenverteilung der von unserem Versuchsstand für diese Tests erzeugten Bioaerosole, dass unsere Hypothese berechtigt ist. Tatsächlich ist dies eine vernünftige Annahme, basierend auf unserer Erfahrung mit der Spektralmaskenfiltration unter Verwendung des BFE-Tests18. Darüber hinaus zeigt die mit dem BFE-Test ermittelte spektrale Filtrationseffizienz (Abb. 2 und 3) deutlich, dass für MFM und CFM1 eine vergleichbare und hohe Bakterienfiltrationsleistung für Vektorbereiche zwischen 2 und 3 µm beobachtet wird. Zweifellos zeigt der CMF2 ab einer Partikelgröße von 2,1 µm eine deutliche Verringerung der Bakterienfiltrationseffizienz (Abb. 2 und 3). Diese Ergebnisse bestätigen unsere vorherige Hypothese, dass der geringfügige Unterschied in der Tröpfchengröße zwischen den BFE- und VFE-Tests, wobei MPS bei beiden Tests insgesamt im Bereich von 2–3 µm bleibt, keinen signifikanten Einfluss auf die Maskenfiltrationseffizienz hat (Abb. 2 und 3). ). Darüber hinaus lassen sich recht ähnliche Schlussfolgerungen für die mit dem VFE-Test erhaltene spektrale Filtrationseffizienz beobachten (Abb. 4), mit insgesamt ausgezeichneter Filtrationseffizienz unabhängig von der Vektorgröße für MFM und einer Filtrationseffizienz, die mit der Vektorgröße für CFM1 und CFM2 abnimmt (obwohl die Der Unterschied in der Filterleistung zwischen CFM1 und CFM2 ist bei den VFE-Messungen im Vergleich zu den BFE-Messungen aufgrund einer größeren Standardabweichung der Messung weniger gut ablesbar.

(Links) Schematische Darstellung einer sechsstufigen lebensfähigen ACI (gelb). Luftgetragene Partikel (rot) werden im Inneren des Kaskadenimpaktors mit einer Durchflussrate von 28,3 l/min (blauer Pfeil) abgesaugt. Jede Stufe des ACI enthält eine Petrischale (grün), gefüllt mit Nähragar (braun). (Rechts) Bilder eines BFE-Tests für jede Impaktionsstufe für die drei Maskentypen (MFM, CFM1 und CFM2; MFM bezieht sich auf medizinische Gesichtsmaske, CFM bezieht sich auf gemeinschaftliche Gesichtsmaske). d50 bezieht sich auf die Grenzgröße der Kaskadenimpaktorstufe. Die Kolonien auf den Petrischalen wurden mit einem HD-Koloniezähler beobachtet.

Spektrale Bakterienfiltrationseffizienz (ausgedrückt in %) als Funktion des aerodynamischen Partikeldurchmessers (ausgedrückt in µm) für die drei Maskentypen (MFM, CFM1, CFM2; MFM bezieht sich auf medizinische Gesichtsmasken und CFM bezieht sich auf gemeinschaftliche Gesichtsmasken); experimentelle Werte (N = 5), Mittelwert mit Standardabweichung.

Spektrale Virusfiltrationseffizienz (ausgedrückt in %) als Funktion des aerodynamischen Partikeldurchmessers (ausgedrückt in µm) für die drei Maskentypen (MFM, CFM1, CFM2; MFM bezieht sich auf medizinische Gesichtsmasken und CFM bezieht sich auf gemeinschaftliche Gesichtsmasken); experimentelle Werte.

Bezüglich der BFE-Ergebnisse (Tabelle 2) weisen medizinische Masken Werte über 98 % auf (in guter Übereinstimmung mit der Typ-IIR-Spezifikation gemäß EN14683:2019). Die Community-Masken weisen im Vergleich zu MFM eine geringere Bakterienfiltrationseffizienz auf, die bei 89,7 ± 3,6 % für CFM1 und 61,4 ± 1,2 % für CFM2 liegt. Wir können feststellen, dass die für beide Arten von Community-Masken erzielte Bakterienfiltrationseffizienz relativ gut mit dem PFE-Grenzwert von 90 % für CFM Typ 1 und 70 % für CFM Typ 2 übereinstimmt.

Was den VFE-Test betrifft, zeigen die Ergebnisse eindeutig eine gute Korrelation zwischen der Bakterien- und Virenfiltrationseffizienz für die verschiedenen getesteten Maskenqualitäten. Durch den Vergleich der Ergebnisse der beiden Methoden (Abb. 5) können wir den Schluss ziehen, dass die VFE- und BFE-Tests unabhängig von der Maskenqualität (MFM, CFM Typ 1 oder CFM Typ 2) zu ähnlichen Werten konvergieren. Tatsächlich zeigte der statistische Vergleich der beiden Tests keinen signifikanten Unterschied (p > 0,05). Die BFE-Werte korrelierten zweifellos mit den VFE-Werten, da die Ergebnisse (ergänzende Abbildung S1) eine gute Korrelation (r = 0,983) zwischen den beiden Methoden für einen ähnlichen Bereich der aerodynamischen Tröpfchengröße im Bereich von 2–3 µm zeigten. Wir sollten jedoch vorsichtig sein, da die statistische Signifikanz dieses Ergebnisses aufgrund der sehr begrenzten Anzahl von Punkten im Korrelationsdiagramm (n = 3) begrenzt ist.

Filtrationseffizienzwerte (ausgedrückt in %, wie in Gleichung 2 unter „Berechnung der Filtrationseffizienz“ definiert) zwischen den Methoden der Bakterienfiltrationseffizienz (BFE) und der Virenfiltrationseffizienz (VFE) für die verschiedenen in dieser Studie bewerteten Maskentypen (MFM, CFM1). und CFM2; MFM bezieht sich auf medizinische Gesichtsmaske, CFM bezieht sich auf Community-Gesichtsmaske). ns nicht signifikant unterschiedlich; experimentelle Werte (N = 5), Mittelwert mit Standardabweichung.

Die Filtration von Aerosoltröpfchen durch eine Gesichtsmaske wird durch zwei Hauptmechanismen gesteuert (Abb. 6). Der erste Mechanismus ist die direkte Filtration mikrometergroßer, mit Krankheitserregern beladener Tröpfchen durch das Filtermaterial der Maske. Dieser erste Schritt hängt hauptsächlich von der Größe des Transmissionsvektors ab (dh in unserem Fall Tröpfchen in der Größenordnung von 2–3 µm). Der zweite Mechanismus besteht im Transport des Erregers, auf dem Luftweg oder nach Ablagerung der Tröpfchen auf der Maskenoberfläche, durch die Maske. Dieser zweite Schritt hängt hauptsächlich von der Größe und Anzahl der Krankheitserreger (Mikrometergröße für Bakterien, 100 nm für Viren) ab, die sich auf der Außenfläche und in der textilen Struktur der Maske ansammeln. Tatsächlich kann die Ansammlung von Krankheitserregern auf der Maske dazu führen, dass sie bei ausreichend langer Einwirkzeit durch die Maske eindringen. Je höher die Atemfrequenz der exponierten Person ist, desto größer ist das Eindringen von Mikroorganismen.

Mechanismen der Aerosolpenetration. (1) Filtration erregerbeladener Tröpfchen direkt durch das Filtermaterial. (2) Migration von Krankheitserregern, die sich auf der Oberfläche der Maske angesammelt haben, durch das Filtermaterial.

Die Ergebnisse zeigen, dass der erste Filtermechanismus zweifellos den größten Einfluss auf die Filtereffizienz einer Maske hat, unabhängig von ihrer Qualität (MFM, CFM Typ 1 oder Typ 2). Tatsächlich haben wir gezeigt, dass ähnliche Filtrationseffizienzen für den gleichen Tröpfchenbereich (im Bereich von 2–3 µm) erzielt werden, und zwar unabhängig von der Größe des verwendeten Krankheitserregers (Bakterien vs. Viren). Aus diesen Originaldaten können wir daher schließen, dass die Filtrationseffizienz der Maske (unabhängig von der Qualität der Maske) hauptsächlich von der Größe des Vektors abhängt, der den Krankheitserreger enthält, und nicht von der Größe des Krankheitserregers selbst. Pragmatisch bestätigen diese Ergebnisse auch, dass die Verwendung von EN14683:2019 (unter Verwendung bakterieller Bioaerosole) zur Bewertung der Leistung medizinischer Masken mit Zuversicht in Bezug auf die Maskenfiltrationseffizienz gegen virale Bioaerosole extrapoliert werden kann (für die gleiche Größe des aerosolisierten Vektors im Bereich). von etwa 2 bis 3 µm). Darüber hinaus hat die Literatur gezeigt, dass neben den Aerosolfiltrations-/Penetrationsmechanismen auch andere Faktoren wichtig sind, um den Schutzfaktor einer Gesichtsmaske richtig zu beurteilen, wie insbesondere der Leckanteil bei locker sitzenden Masken wie den hier vorgestellten Studie.

Allerdings ist auch Vorsicht geboten, da der Regulierungstest EN14683:2019 mit kurzen Expositionszeiten durchgeführt wird (1 Minute Einwirkung des Bioaerosols auf die Maske während der Vernebelung, gefolgt von 1 Minute Kontakt zwischen Krankheitserregern auf der Maskenoberfläche mit einer Durchflussrate). von 28,3 l/min). Wie bereits erwähnt, ist die Expositionszeit ein sehr wichtiger Parameter für den in Abb. 5 beschriebenen zweiten Filtermechanismus. Daher ist es nicht ausgeschlossen, dass das Design des EN14683:2019-Regulierungstests in erster Linie die Bewertung des ersten Filtermechanismus (Filtration von) begünstigt (Erreger-beladene Tröpfchen) im Vergleich zum zweiten Filtermechanismus (Erregertransport durch die Maske). Zukünftige Studien, die die durch den Regulierungsrahmen EN14683:2019 auferlegten Bedingungen ändern, könnten durchgeführt werden, um die Effizienz der Bakterien- oder Virenfiltration über längere Expositionszeiten (d. h. länger als die in EN14683:2019 vorgeschriebenen 2 Minuten) zu bewerten, um dies weiter zu untersuchen Möglicher Einfluss des zweiten Filtrationsmechanismus auf die Filtrationseffizienz von Gesichtsmasken unter möglicherweise günstigeren Versuchsbedingungen (höhere Pathogensättigung der Außenoberfläche der Maske durch die Mikroorganismen, längere Dauer, um einen stärkeren Pathogentransport durch die Maske zu ermöglichen) .

Für viele Epidemiologen sowie Gesundheitsbehörden und die WHO wird der 5-µm-Schwellenwert verwendet, um zwischen Luft- und Tröpfchenübertragung zu unterscheiden. Die Tröpfchenübertragung würde durch Partikel mit einem Durchmesser von mehr als 5 µm verursacht, während nur Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 5 µm eine Übertragung über die Luft ermöglichen würden. Aus physikalischer Sicht ist dieser Wert von 5 µm jedoch weitgehend willkürlich und hat keine besondere Bedeutung. Daher gibt es keine „echte“ aerodynamische Größengrenze zwischen diesen beiden Arten der Krankheitserregerübertragung (Luftübertragung vs. Tröpfchenübertragung).

Der VFE ist ein nicht vorschriftsmäßiger Test zur Bewertung der Maskenfiltration, der in unserer Studie Werte ergab, die (für Tröpfchenbereiche im Bereich von 2–3 µm) recht ähnlich dem Standard-BFE-Wert gemäß EN14683:2019 waren. Die Ergebnisse unserer Forschung werden durch andere Studien gestützt. Whiley et al. (2020) zeigten, dass die VFE-Werte von OP-Masken (VFE = 98,5 % gegen Aerosole mit einer durchschnittlichen Größe von 2,6 µm) mit den vom Hersteller angegebenen BFE vergleichbar waren. Damit bestätigen wir, dass der VFE-Test nicht interessanter ist als der BFE-Test, wenn es um mikrometrische Tröpfchenbereiche wie in unserer Studie geht. Andererseits kann es interessant sein, den VFE-Test zu verwenden, um die Leistung von Masken gegen die Übertragung von Krankheitserregern über die Luft zu bewerten (d. h. für Tröpfchen in der Luft, die typischerweise kleiner im Submikronbereich sind). Tatsächlich ist es einfach unmöglich, die Leistung der Filtration gegen Bioaerosole im Submikronbereich mit einem BFE-Test zu messen, da die Größe von Bakterien etwa 1 Mikrometer beträgt. Der BFE-Test eignet sich daher hervorragend zum Testen der Wirksamkeit von Filtermasken gegen luftgetragene mikrometrische Tröpfchen (entspricht eher der „Tröpfchendurchlässigkeit“), kann jedoch niemals zur Beurteilung der Leistung bei luftgetragenen submikrometrischen Tröpfchen (entspricht eher der „Tröpfchendurchlässigkeit“) angepasst werden. Luftübertragung"). Ein VFE ist daher der einzige Test, der die Qualität einer Maske anhand von Vektoren im Submikrometerbereich wirklich bewerten kann. Es wäre möglich, einen VFE-Test zu erstellen, indem virale Bioaerosole erzeugt werden, die aus mit Viren beladenen Tröpfchen in der Luft bestehen, die kleiner als 1 µm sind, und zwar unter Verwendung spezifischer Vernebler, wie wir sie bereits in einer früheren Studie charakterisiert haben und die eine aerodynamische Durchmesserverteilung von 0,15 bis 0,5 µm aufweisen .

Die Bakterienfiltrationseffizienz (BFE) und die Virusfiltrationseffizienz (VFE) von medizinischen und öffentlichen Gesichtsmasken wurden verglichen. Die Ergebnisse zeigten eine sehr gute Korrelation zwischen den beiden Filtrationsmethoden (viral vs. bakteriell) für einen Tröpfchengrößenbereich von 2–3 µm. Dieses Ergebnis bestätigt die Relevanz der Verwendung der Ergebnisse der Norm EN14189:2019 unter Verwendung bakterieller Bioaerosole zur Bewertung der Filtrationsleistung medizinischer Masken gegen Bioaerosole viraler Mikroorganismen für mikrometrische Tröpfchengrößen. Mit anderen Worten: Das normative Verfahren EN14189:2019 scheint eher geeignet zu sein, die Filtration von Masken gegen Mikrotröpfchen (im Fall der sogenannten „Tröpfchenübertragung“) zu bewerten, unabhängig vom Erreger (Bakterium oder Virus). Tatsächlich scheint es, dass die Filtrationseffizienz der Masken (für Tröpfchengrößen in der Größenordnung von 2–3 μm und für die durch diese normativen Verfahren festgelegten Betriebsbedingungen und insbesondere für kurze Expositionsdauern gegenüber Bioaerosolen) hauptsächlich von der Größe abhängt des in der Luft befindlichen Tröpfchens und nicht die Größe des in diesem Tröpfchen enthaltenen Infektionserregers.

Alle Hauptdaten sind im Haupttext oder in den Zusatzmaterialien verfügbar. Ergänzende Informationen zu den in der Analyse verwendeten Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Paul O. Verhoeven

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Paul O. Verhoeven

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PV und JP haben das Experiment entworfen. SD, JP, GS, LL, GK und AP führten die Experimente durch. Alle Autoren haben zur Datenanalyse und -überprüfung beigetragen. SD und JP haben das Manuskript geschrieben und alle Autoren haben zur Begutachtung des Manuskripts beigetragen.

Korrespondenz mit Jérémie Pourchez.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Djeghdir, S., Peyron, A., Sarry, G. et al. Filtrationseffizienz von medizinischen und öffentlichen Gesichtsmasken unter Verwendung viraler und bakterieller Bioaerosole. Sci Rep 13, 7115 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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Eingegangen: 08. November 2022

Angenommen: 27. April 2023

Veröffentlicht: 02. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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