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Eine bessere Art von Gesichtsmaske: Forscher entwickeln virentötende Masken

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Das Forschungsteam nutzte eine zugängliche und erschwingliche Ausrüstung, um N95-Masken zu verbessern und Abfall zu reduzieren

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

Um ansteckende Atemwegserkrankungen und Umweltverschmutzung zu bekämpfen, arbeitete Helen Zha, Assistenzprofessorin für Chemie- und Bioingenieurwesen und Mitglied des Zentrums für Biotechnologie und interdisziplinäre Studien in Rensselaer (CBIS), mit Edmund Palermo, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaft und Ingenieurwesen und Mitglied des Zentrums für Materialien, Geräte und integrierte Systeme (cMDIS) in Rensselaer, zusammen.

"Dies war eine vielschichtige materialtechnische Herausforderung mit einem großartigen, vielfältigen Team von Mitarbeitern", sagte Palermo. "Wir glauben, dass diese Arbeit der erste Schritt in Richtung einer länger haltbaren, selbststerilisierenden persönlichen Schutzausrüstung ist, wie z. B. die N95-Atemschutzmaske. Sie könnte dazu beitragen, die Übertragung von Krankheitserregern über die Luft im Allgemeinen zu reduzieren"

Die Forscher pfropften erfolgreich antimikrobielle Polymere mit einem breiten Spektrum auf die Polypropylenfilter, die in N95-Gesichtsmasken verwendet werden, so die Studie, die kürzlich in Applied ACS Materials and Interfaces veröffentlicht wurde.

"Die aktiven Filterschichten in N95-Masken reagieren sehr empfindlich auf chemische Veränderungen", so Zha. "Dadurch kann sich ihre Filterleistung verschlechtern, so dass sie im Grunde nicht mehr wie N95-Masken funktionieren. Sie bestehen aus Polypropylen, das chemisch schwer zu verändern ist. Eine weitere Herausforderung besteht darin, das sehr feine Fasernetz dieser Masken nicht zu zerstören, was das Durchatmen erschweren könnte."

Zha und Palermo haben zusammen mit anderen Forschern aus Rensselaer, dem Michigan Technological Institute und dem Massachusetts Institute of Technology antimikrobielle quaternäre Ammonium-Polymere kovalent an die Faseroberflächen von Polypropylen-Vliesstoffen durch ultraviolett (UV)-initiiertes Pfropfen angebracht. Die Stoffe wurden von Hills Inc. mit freundlicher Genehmigung des Rensselaer-Absolventen Tim Robson gespendet.

"Das Verfahren, das wir entwickelt haben, nutzt eine wirklich einfache Chemie, um diese nicht auslaugende Polymerbeschichtung zu erzeugen, die Viren und Bakterien abtöten kann, indem sie ihre äußere Schicht aufbricht", so Zha. "Es ist sehr einfach und eine potenziell skalierbare Methode"

Das Team verwendete für sein Verfahren nur UV-Licht und Aceton, die allgemein verfügbar sind, so dass es leicht umzusetzen ist. Darüber hinaus kann das Verfahren auf bereits hergestellte Polypropylenfilter angewandt werden, so dass keine neuen Filter entwickelt werden müssen.

Das Team stellte zwar eine Verringerung der Filtrationseffizienz fest, als das Verfahren direkt auf die Filterschicht von N95-Masken angewendet wurde, aber die Lösung ist einfach. Der Benutzer könnte eine unveränderte N95-Maske zusammen mit einer weiteren Polypropylenschicht mit dem antimikrobiellen Polymer darauf tragen. In Zukunft könnten die Hersteller eine Maske herstellen, bei der das antimikrobielle Polymer in die oberste Schicht eingearbeitet ist.

Dank eines Zuschusses der National Science Foundation für Rapid Response Research (RAPID) begannen Zha und Palermo ihre Forschung im Jahr 2020, als N95-Gesichtsmasken Mangelware waren.

Mitarbeiter des Gesundheitswesens verwendeten sogar Masken wieder, die für den einmaligen Gebrauch bestimmt waren. Heute, im Jahr 2022, sind Gesichtsmasken aller Art weithin verfügbar. Die COVID-Raten sind jedoch immer noch hoch, die Gefahr einer weiteren Pandemie in der Zukunft ist nicht auszuschließen, und die Einwegmasken stapeln sich auf den Mülldeponien.

"Hoffentlich haben wir die COVID-Pandemie hinter uns gelassen", so Zha. "Aber diese Art von Technologie wird immer wichtiger werden. Die Bedrohung durch Krankheiten, die durch Mikroben in der Luft verursacht werden, wird nicht verschwinden. Es ist an der Zeit, dass wir die Leistung und Nachhaltigkeit der Materialien, die wir zu unserem Schutz verwenden, verbessern."

"Das Anbringen von chemischen 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 von Polypropylen im täglichen Leben ist diese Strategie vielleicht auch in vielen anderen Zusammenhängen nützlich."

Die Studie wurde von den NIH/National Institutes of Health finanziert

Referenz: "Viruzidal N95 Respirator Face Masks via Ultrathin Surface-Grafted Quaternary Ammonium Polymer Coatings" 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 May 2022, ACS Applied Materials and Interfaces.

DOI: 10.1021/acsami.2c04165

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