Nanotecnología para mascarillas

Nanotecnología para mascarillas


14 de marzo de 2022

(Proyector de Nanowerk) Provocado por la pandemia de COVID-19, el aumento de la demanda de mascarillas quirúrgicas y ventiladores ha provocado una oleada de producción mundial. Sin embargo, no todos los materiales filtrantes de las mascarillas son adecuados para todos los contaminantes y patógenos, ya que los contaminantes en el aire que respiramos varían mucho en tamaño. Por ejemplo, el virus SARS-CoV-2 tiene un tamaño de 60 a 140 nm, lo que lo hace más pequeño que las bacterias, el polvo, el polen y otros virus más grandes.

Esto significa que para que las máscaras sean efectivas contra un patógeno o contaminante específico, el tamaño de los poros de su material de filtro debe ser más pequeño que el tamaño de las gotas en el aire que contienen el patógeno o contaminante contra el que están destinadas.

Si bien las máscaras faciales están diseñadas para contaminantes proteger al usuario de partículas en el aire ha sido el papel principal de las máscaras faciales durante la pandemia de COVID-19 proteger a los demás el usuario de la máscara respira, tose o estornuda frente a las gotas y partículas (para garantizar la protección del usuario contra los virus en el aire, los ojos también deben estar cubiertos, ya que los virus pueden ingresar al cuerpo a través de todas las membranas mucosas). Tabla relativa de contaminantes y patógenos comunes en el aire Tabla relativa de contaminantes y patógenos comunes en el aire. (© Investigación AAAS)

Tanto las mascarillas faciales como los respiradores reutilizables y desechables ofrecen a los usuarios diferentes niveles de protección. En general, las mascarillas no se ajustan bien, mientras que los respiradores sí. Las reutilizables incluyen máscaras de media cara o de cara completa de uso industrial con filtros de cartucho adjuntos y máscaras de tela caseras o comerciales; Las máscaras desechables incluyen la mayoría de las máscaras quirúrgicas.

Una máscara quirúrgica de 3 capas se ha utilizado ampliamente en la pandemia de COVID-19. Esta máscara consta de 3 capas diferentes de tela no tejida, cada capa tiene una función específica como se muestra a continuación.

La capa más externa es resistente al agua y ayuda a repeler líquidos como las gotas de la membrana mucosa. La capa intermedia es el filtro que evita que partículas o patógenos mayores de cierto tamaño entren en cualquier dirección. La capa más interna consta de materiales absorbentes para capturar las gotitas de saliva de la mucosa del usuario. Esta capa también absorbe la humedad del aire exhalado, mejorando la comodidad. Ilustración que muestra la función de cada capa individual de una mascarilla quirúrgica de 3 capas Ilustración que muestra la función de cada capa individual de una mascarilla quirúrgica de 3 capas. (© Investigación AAAS)

Juntas, estas 3 capas protegen eficazmente tanto al usuario como a quienes lo rodean al limitar la entrada de partículas y patógenos en cualquier dirección.

Varios parámetros, como el diámetro de la fibra, la porosidad y el espesor del filtro, regulan el rendimiento del filtro. Si se van a filtrar los virus, el material del filtro debe poder capturar partículas a nanoescala.

Los fabricantes han desarrollado diferentes estilos de máscaras y materiales de filtro de aire utilizando diferentes nanomateriales: nanofibras, nanopartículas, grafeno, estructuras metalorgánicas.

nanofibras

Para la filtración a nanoescala, los diferentes tipos de nanofibras electrohiladas (el electrohilado generalmente produce fibras con diámetros en el rango de 50 a 100 nm) son, con mucho, el material de filtro más utilizado. El filtrado con membranas de nanofibras se realiza esencialmente a través de cinco conjuntos de mecanismos: interceptación; acción inercial; Difusión; asentamiento gravitacional; y atracción electrostática. Mecanismos de filtración de partículas Mecanismos de filtración de partículas. (© MDPI)

En general, todos los mecanismos de recolección presentados anteriormente, con la excepción de la atracción electrostática, se relacionan con filtros mecánicos y se ven afectados por el tamaño y la velocidad de las partículas. La acción de atrapamiento e inercia son bien conocidos como los mecanismos de combinación dominantes para macro y micropartículas (> 0,3 µm), mientras que la difusión es dominante para las nanopartículas (< 0,3 µm).

A interceptar ocurre cuando las partículas siguen el flujo de aire alrededor de la fibra y entran en contacto con la superficie de la fibra y se depositan sobre ella debido a las fuerzas de van der Waals. impacto inercial ocurre cuando la partícula cambia su dirección aerodinámica cerca de una fibra de filtro e impacta la fibra debido a la inercia. Las partículas por debajo de 0,3 µm se ven afectadas principalmente por difusión donde se mueven a través de líneas de corriente (movimiento browniano) debido a los movimientos aleatorios de las moléculas de aire hasta que tocan la fibra. en el
asentamiento gravitacional, y debido a la gravedad, las partículas grandes pueden asentarse en corrientes de aire de movimiento lento. los atracción electrostática funciona a través de la atracción de Columbia, donde las partículas cargadas son atraídas por las fibras con carga opuesta.

nanopartículas metálicas

Las nanopartículas metálicas y sus compuestos han atraído una atención considerable como potentes agentes antimicrobianos debido a su alta relación área superficial/volumen en comparación con sus contrapartes voluminosas. Se han incorporado nanopartículas de compuestos de plata-plata, cobre, dióxido de titanio, óxido de zinc y aluminio y alúmina en varios filtros para obtener propiedades antimicrobianas. También se demuestra un rendimiento antimicrobiano sinérgico por su combinación con otros agentes biocidas como los nanotubos de carbono.

Se han identificado cuatro fases de interacción principales sobre cómo estas nanopartículas metálicas exhiben propiedades antivirales:

1) Las nanopartículas se adhieren al virus, evitando que el virus se adhiera a una posible célula huésped.

2) El flujo de aire provoca una ligera ionización de la capa de nanopartículas metálicas en la superficie. Cuando la nanopartícula entra en contacto con bacterias o virus, puede oxidar rápidamente el material central de bacterias o virus al estimular la generación de especies reactivas de oxígeno para lograr el efecto de inactivación.

3) Al contacto, las nanopartículas metálicas pueden adherirse a las paredes de la membrana de los microorganismos, lo que lleva a la desnaturalización e inactivación de las proteínas específicas en la superficie de la bacteria o el virus, y luego a la apoptosis.

4) Destruyen el virus indirectamente al activar la respuesta inmune de las células infectadas al simular su núcleo, esto inhibe la propagación del virus.

gráficos

El grafeno es otro nanomaterial prometedor en la lucha contra los patógenos transportados por el aire. La significativa relación superficie-volumen del grafeno proporciona el área de contacto de ligando más alta que puede interactuar con la fracción cargada de los viriones para bloquear los microorganismos.

Los investigadores han producido con éxito máscaras antibacterianas de grafeno con una eficacia del 80 %, que pueden aumentar hasta casi el 100 % con la exposición al sol durante unos 10 minutos.

Sin embargo, el uso de grafeno en máscaras faciales es controvertido debido a los riesgos potenciales para la salud de las partículas de grafeno inhaladas. Por ejemplo, Health Canada, el departamento del gobierno canadiense responsable de la política nacional de salud, ha emitido una recomendación para que los canadienses no usen máscaras faciales que contengan gráficos.

Estructuras metal-orgánicas (MOF)

Las estructuras organometálicas (MOF) son una clase de materiales cristalinos porosos compuestos por cationes de metales de transición y enlazadores orgánicos polidentados coordinados. Con alta porosidad, tamaño de poro ajustable, ricas funcionalidades y buena estabilidad térmica, los MOF son candidatos prometedores para la filtración de la contaminación del aire.

Los investigadores ya han demostrado que la incorporación de MOF en nanofibras da como resultado una mayor resistencia al viento sin fallas en la película.

Los investigadores también han demostrado las propiedades bactericidas fotocatalíticas de una variedad de estructuras metalorgánicas (MOF) y su potencial para el control de la contaminación del aire y la seguridad humana.

Al momento de escribir este artículo, no hay máscaras faciales MOF comerciales en el mercado.

puntos cuánticos

Los científicos creen que los puntos cuánticos tienen amplias perspectivas como material de máscara antiviral potencial debido a sus efectos antivirales. Aunque se ha demostrado el uso de puntos cuánticos como agentes antivirales, sus aplicaciones en la fabricación de máscaras aún no han resultado en productos de máscaras comerciales.

Base de datos global de mascarillas faciales de nanotecnología

Para su referencia, hemos compilado una base de datos global de máscaras faciales de nanotecnología que actualmente contiene 38 productos comerciales. Estos incluyen filtros de máscara basados ​​en nanofibras, nanopartículas y grafeno.

Esta base de datos está en progreso. Háganos saber si nos hemos perdido un producto.

En resumen, desde el comienzo de la pandemia de COVID-19 en 2020, los investigadores han intensificado sus esfuerzos para mejorar el rendimiento de las máscaras faciales antivirales al agregar varias funcionalidades, como nanopartículas metálicas y extractos de hierbas para inactivar patógenos usando grafeno para hacer máscaras fototérmicas y superhidrofóbicas. e incluso con nanogeneradores triboeléctricos para alargar la vida de las mascarillas.

Para una revisión completa y detallada de las máscaras para COVID-19, puede leer este artículo de revisión. A través de
Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©




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