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MIT entwirft eine beheizte COVID-Gesichtsmaske zum Filtern und Inaktivieren von Koronaviren

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Die wiederverwendbare Maske würde aus einem beheizten Kupfernetz bestehen, das von einer Batterie gespeist wird und von isolierendem Neopren umgeben ist.

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Gesichtsmasken haben sich als wirksam erwiesen, um Viren wie das SARS-CoV-2-Virus herauszufiltern und dadurch das Infektionsrisiko zu verringern. Ein Forscherteam vom MIT hofft nun, noch einen Schritt weiter zu gehen und eine Maske herzustellen, die Viren durch Hitze inaktiviert.

Ziel der Forscher ist es, Masken zu bauen, die ein erhitztes Kupfergeflecht enthalten. Wenn die Person, die die Maske trägt, ein- und ausatmet, strömt die Luft wiederholt über das Maschennetz, und alle Viruspartikel in der Luft werden durch das Maschennetz und hohe Temperaturen verlangsamt und inaktiviert. Eine solche Maske könnte, so die Forscher, sowohl für Angehörige des Gesundheitswesens als auch für die Öffentlichkeit in Situationen nützlich sein, in denen eine soziale Distanzierung schwer zu erreichen wäre, wie z.B. in einem überfüllten Bus.

"Dies ist ein völlig neues Maskenkonzept, da es nicht in erster Linie das Virus blockiert. Es lässt das Virus tatsächlich durch die Maske hindurch, verlangsamt es aber und inaktiviert es", sagt Michael Strano, der Carbon P. Dubbs-Professor für Chemical Engineering am MIT.

Die Forscher haben mit dem Bau von Prototypen begonnen und hoffen, diese bald zu testen. Sie haben das neue Konzept und Design in einem Papier beschrieben, das sie an bioRxiv, einen Online-Preprintserver, geschickt haben, und sie haben das Papier auch bei einer von Fachleuten begutachteten Zeitschrift eingereicht.

Strano ist der Seniorautor der Arbeit, und der MIT-Absolvent Samuel Faucher ist der Hauptautor. Zu den weiteren Autoren gehören die MIT-Absolventen Daniel Lundberg, Xinyao Liang und Xiaojia Jin, die Studentin Rosalie Phillips, die Postdoc-Dorsa Parviz und Jacopo Buongiorno, der TEPCO-Professor für Nuklearwissenschaften und -technik am MIT.

Inaktivierung von Viren

Strano und Buongiorno begannen im März mit der Erforschung von Konzepten für neue Arten von Gesichtsmasken, kurz nachdem das MIT seine Forschungsaktivitäten auf dem Campus eingestellt hatte. Sie begannen damit, in vorhandenen wissenschaftlichen Berichten über verschiedene Maskentypen zu wühlen, und fanden keine Masken, die in erster Linie dazu bestimmt sind, Viren durch Erhitzen abzutöten.

"Die Masken, die wir jetzt tragen, sollen einen Teil des Virus einfangen. Sie bieten zwar Schutz, aber niemand denkt wirklich daran, das Virus zu inaktivieren und die Luft zu sterilisieren. Das hat mich überrascht", sagt Strano.

Das Team machte sich daran, eine Maske zu entwerfen, die Viren durch Hitze abtötet. Sie entschieden sich für die Verwendung von Kupfergeflecht als Heiz- und Fangelement und führten einige mathematische Modellierungen durch, um den optimalen Temperaturbereich zu bestimmen, den sie erreichen müssten, um Koronaviren abzutöten, die aus der natürlichen Atmung nach innen oder außen strömen.

"Die überwiegende Mehrheit der Masken funktioniert heute durch Filtration, wobei die Partikel nach Größe oder elektrischer Ladung gefiltert werden", sagt Faucher. "Diese Maske beruht auf einem anderen Mechanismus und funktioniert vorwiegend durch thermische Inaktivierung

Die Forscher berechneten, wie schnell Coronaviren bei unterschiedlichen Temperaturen und Fangbedingungen abgebaut werden, und fanden heraus, dass bei einer Temperatur von etwa 90 Grad Celsius je nach der endgültigen Maskengröße eine tausend- bis millionenfache Reduktion der Viruspartikel erreicht werden könnte. Sie zeigten auch, dass diese Temperatur erreicht werden kann, indem ein elektrischer Strom über ein 0,1 Millimeter dickes Kupfernetz oder eine thermoelektrische Heizung geleitet wird, die von einer kleinen Batterie gespeist wird. Zu den aktuellen Prototypen gehört eine 9-Volt-Batterie, die genügend Strom liefern würde, um die Maske einige Stunden lang zu heizen und die Luft vor dem Einatmen zu kühlen.

"Natürlich müssen wir die Sicherheit und den Komfort der Maskenbenutzer im Auge behalten", sagt Faucher. "Die Luft wird nach der Virusinaktivierung gekühlt, damit die Maske bequem und sicher zu verwenden ist"

Die Forscher waren in der Lage, die Effizienz der Virusdeaktivierung zu verbessern, indem sie die Atemluft nutzten, um einen Reaktortyp zu schaffen, der als Gegenstromreaktor bekannt ist. Wenn die Person, die die Maske trägt, ein- und ausatmet, kehrt sich der Luftstrom kontinuierlich um, so dass Viren in der Maske viele Male über das Maschennetz passieren können und es wahrscheinlicher wird, dass sie deaktiviert werden. Gereinigte Luft strömt aus Lüftungsöffnungen auf beiden Seiten der Maske aus.

"Dieses Design bedeutet, dass Sie eine kleine Maske tragen können, etwas, das auf Ihr Gesicht passt, aber das Virus kann viel mehr Zeit damit verbringen, deaktiviert zu werden, als es ohne das Design des Gegenstromreaktors der Fall wäre", sagt Strano.

Das Kupfernetz ist von Neopren umgeben, einem Isoliermaterial, das verhindert, dass die Außenseite der Maske zu heiß wird, um sie zu tragen.

"Das Erreichen der Temperatur für die Virusinaktivierung bei gleichzeitiger thermischer Isolierung des Gesichts der Person und der Sicherstellung einer akzeptablen Einatmung kühler Luft stellte eine interessante Herausforderung für die Wärmeübertragung dar, die wir mit Neoprenisolierung und regenerativer Heizung gelöst haben", sagt Buongiorno.

"Bessere Technologie"

N95-Atemschutzmasken, chirurgische Masken und Tuchmasken sind wirksam und sollten während der Pandemie vorschriftsmäßig verwendet werden, so Strano, aber ein potenzieller Vorteil von Wärmemasken besteht darin, dass sie, da sie das Virus abtöten, nach Gebrauch nicht dekontaminiert oder weggeworfen werden müssen. Darüber hinaus können sie zusätzlichen Schutz bieten, indem sie das Virus eliminieren, anstatt es nur zu filtern.

"Was wir zeigen, ist, dass es möglich ist, etwas im Gesicht zu tragen, das nicht zu umständlich ist, mit dem man tatsächlich medizinisch sterile Luft atmen kann", sagt Strano. "Die Aussicht, medizinisch sterile Luft einatmen und medizinisch sterile Luft ausatmen zu können, um die Menschen um Sie herum zu schützen und sich selbst zu schützen, ist nur der nächste Schritt. Das ist die bessere Technologie."

Beheizte Masken wären teurer als Stoffmasken oder chirurgische Masken, aber sie können in Situationen nützlich sein, in denen das Expositionsrisiko hoch und die Kosten weniger bedenklich sind, sagen die Forscher. Sie haben ihr Maskendesign zum Patent angemeldet, und sie planen, mit Mitarbeitern am MIT mit der Erprobung von Prototypen zu beginnen.

Die Forschung wurde im Rahmen eines vom Office of Naval Research geförderten Projekts finanziert