Исследование показывает, что тканевые покрытия для лица помогают защитить как тех, кто их носит, так и тех, кто находится рядом

Оригинал здесь: 
 https://vtnews.vt.edu/articles/2020/11/eng-marrmasks-1123.html?fbclid=IwAR1M0422h7vuRThgF6gqomZoN0wRHtvr7ktbZiBX1C6tfXQlUm6inaWUqqw/.

23/11/2020

Эффективность масок для лица

 (Перевод З. Дымент)

Дизайн исследования отображает условия, близкие к реальному использованию, с контролем лабораторных испытаний.

Недавно опубликованное исследование Virginia Tech, посвященное изучению эффективности обычных покрытий для лица, может помочь обеспокоенной публике вздохнуть с облегчением.

Исследование, проведенное под руководством эксперта по воздушно-капельной передаче болезней Линси Марр, на основе тестирования различных материалов показало, что трехслойная маска, состоящая из внешних слоев гибкой ткани с плотным переплетением и внутреннего слоя, сделанного из одного из нескольких материалов, предназначенных для фильтрации мелких частиц, обеспечивает эффективность фильтрации не менее 74% для наиболее проникающих частиц.

При размере частиц в один микрон – средний размер респираторных капель, образующихся при дыхании и разговоре, – Марр и ее исследовательская группа обнаружили, что фильтрующие материалы легко могут обеспечить эффективность фильтрации на уровне 75 процентов, а обычные ткани – около 40 процентов. Они подсчитали, что при объединении вместе в лицевом покрытии общая эффективность материалов в некоторых случаях должна превышать 90 процентов.

«Некоторые люди говорят: «Ну, респиратор № 95 может блокировать 95 процентов наиболее проникающих частиц, а все остальное бесполезно, – сказала Марр, профессор отделения гражданской и экологической инженерии имени Чарльза П. Лансфорда в Техническом колледже Вирджинии.– Это правда, что некоторые тканевые маски, которые мы рассматривали, блокируют только 10–20 процентов частиц такого размера. Но как только вы доберетесь до размеров, которые, по нашему мнению, более важны для передачи, например, от одного до двух микрон и даже до пяти микрон, эти тканевые маски смогут блокировать половину частиц или более».

Сам вирус SARS-CoV-2 имеет размер около 0,1 микрона, но «он не выходит из нас голым», отметила Марр, говоря о вирусе, вызывающем заболевание, известное как COVID-19. Он переносится более крупными респираторными каплями, также известными как аэрозоли, которые содержат соли, белки и органические соединения, что приводит к образованию таких аэрозолей, которые в 100 тыс. раз превышают массу самого вируса.

 Марр сказала, что предыдущие исследования показали, что большинство таких аэрозолей имеют размер более половины микрона, что побудило исследовательскую группу сосредоточить внимание на диапазоне размеров от одного до двух микрон как наиболее подходящем для тестирования самодельных и имеющихся в продаже покрытий для лица.

 «Это не то, что я бы попросила надеть медицинского работника в ситуациях повышенного риска, – сказала она. – Им нужна лучшая защита, которую мы только можем получить. Но, учитывая, что непрактично, чтобы обычные люди ходили в № 95, я думаю, что самодельные маски определенно полезны».

Эксперимента группы был разработан так, чтобы представить условия, более близкие к реальным условиям ношения маски, хотя и в контролируемой среде лабораторного исследования. Типичное тестирование такого рода основано на стандартах, разработанных для респираторов № 95 Национальным институтом безопасности и гигиены труда, что не соответствуют тому количеству людей, которые носят обычные маски для лица во время пандемии.

 Марр – одна из немногих исследователей в мире, обладающих уникальными знаниями о том, как переносимые по воздуху патогены взаимодействуют и перемещаются по воздуху. Обладая опытом, который внезапно стал жизненно важным в этом году, и необычайной силой в распространении сложной науки среди непрофессионалов, Марр стала постоянным источником информации для агентств общественного здравоохранения, журналистов и 29000 человек, которые следят за ее обновлениями на Twitter.

Исследование ее команды, опубликованное 20 ноября на сервере препринтов medRxiv, еще не прошло рецензирование. Марр и ее команда ждут публикации в академическом журнале.

 Уильям Ристенпарт, изучающий передачу болезней воздушно-капельным путем в Калифорнийском университете в Дэвисе и не принимавший участия в этом исследовании, сказал, что подход Марр был «исчерпывающим». Он провел собственное исследование эффективности масок и сказал, что дизайн, методы и техника исследования, проведенные командой Virginia Tech, помогают улучшить результаты.

 Респиратор № 95, который до сих пор считается золотым стандартом для защиты от вируса SARS-CoV-2 учеными и учреждениями здравоохранения, получил свое название от теста, который он должен пройти: респиратор должен улавливать 95 процентов частиц размером 0,3 микрона.

 Эта отметка 0,3 соответствует «самой проникающей частице», то есть самой трудной для фильтрации. Предыдущие исследования эффективности масок были сосредоточены на медицинских масках и на этом меньшем, более сложном, субмикронном диапазоне размеров. Меньше известно о тканевых покрытиях для лица, которые сейчас все чаще выпускают многие компании, а также о тех, которые предложены Центрами по контролю и профилактике заболеваний в США для изготовления в домашних условиях: насколько хорошо они улавливают частицы, близкие к размерам частиц, выделяемым человеком при дыхании, разговоре или кашле.

В своем исследовании Марр и ее команда исследователей в области гражданской и экологической инженерии сосредоточили внимание на масках и таких размерах частиц, которые, как показал их анализ, наиболее важны для изучения в контексте того, как люди обычно проводят день в масках для лица. Исследователи ценили девять самодельных масок и их составляющий материал, а также хирургическую маску и защитную маску для лица на предмет их способности улавливать частицы размером от 0,04 микрона до более 100 микрон.

Каждая маска прошла тест на внешнюю эффективность – способность улавливать частицы, выдыхаемые пользователем маски, и на внутреннюю эффективность для тех, кто носит маску, когда они вдыхают. Исследователи протестировали маски и фильтрующие материалы из одно- и двухслойной банданы; тонкий хлопок; тонкий акрил; микрофибру; вакуумный мешок; кофейный фильтр; фильтр MERV 12; два слоя хлопковой ткани для наволочки для имитации маски, сшитой по инструкциям CDC, и хлопковую футболку чтобы воспроизвести дизайн без шитья, также предлагаемый CDC на их веб-сайте.

При малом размере частиц, от 0,1 до 0,3 микрона, самодельные маски работали плохо. Но когда к через макси пропускали частицы размером один и два микрона или больше, эффективность масок резко возрастала. Некоторые из них могут улавливать от 50 до 80 процентов частиц в тестах как на внутреннюю, так и на внешнюю эффективность.

Марр сказала, что это важно, учитывая то, что ученые узнали за последние 12 месяцев о выделении и переносе по воздуху вируса SARS-CoV-2, а также о среднем размере таких капель. 

Команда использовала три показателя для проверки в лаборатории эффективности самодельной маски: эффективность материала-фильтра, эффективность внутренней защиты и эффективность внешней защиты. Сначала они проверили эффективность фильтрации материала, чтобы увидеть, как различные ткани и фильтрующие материалы работают отдельно без связи в маске.

В этих экспериментах исследователи распыляли частицы хлорида натрия из жидкого солевого раствора в большой мешок и измеряли количество и размер частиц в мешке. Они использовали вакуумный насос, чтобы втянуть воздух, содержащий частицы, через материал, и измерили количество и размер частиц, которые прошли на другую сторону. 

Чтобы проверить эффективность внутренней и внешней защиты, команда Марр установила два манекена на противоположных сторонах камеры объемом 570 литров, имитируя тесную беседу пары вдыхающих и выдыхающих людей. Исследователи подключили выдыхающий манекен к медицинскому небулайзеру, который выделял капли изо рта манекена. На противоположном конце они пропустили вакуумную линию через рот манекена для вдыхания, чтобы втягивать воздух, содержащий выбрасываемые частицы. Затем были проведены измерения частиц в камере по мере того, как они выходили из выдыхающего манекена, или тех, которые были вытянуты через вдыхающий манекен.

Исследователи составили рейтинг самодельных масок и фильтрующих материалов на основе трех показателей. Вакуумный мешок работал лучше всего, с эффективностью фильтрации материала не менее 60 процентов в контролируемых условиях, а при размере частиц 2 микрона его эффективность была на уровне 80 процентов. Его эффективность внешней защиты и эффективность внутренней защиты были выше 50 процентов и 75 процентов, соответственно, для частиц размером 0,5 микрона и более.

Устройства среднего и высокого уровня включали фильтр MERV 12, хирургическую маску и маску, сшитую по инструкции CDC, при этом все три обеспечивали 50-процентную или более внутреннюю и внешнюю эффективность для частиц размером в два микрона. Тонкий акрил по всем трем показателям показал худшие или почти худшие результаты среди самодельных масок. 

Сравнивая эффективность внутренней и внешней защиты, команда обнаружила, что маски, как правило, более эффективны как источники внешней защиты, чем внутренней, но различия в большинстве случаев не были статистически значимыми. Эти два параметра эффективности расходятся для более жестких материалов и тех, которые носятся более свободно, например, для банданы, или более плотно, по сравнению со стандартной маской-петлей. 

Марр и ее команда нашли несколько удивительных результатов для каждого показателя. Двухслойная бандана и несшитая маска CDC, изготовленные из хлопчатобумажной футболки, показали лучшие результаты, чем ожидала Марр, при размере частиц от одного до двух микрон. Тонкий хлопок – мягкая ткань для блузок с плотным переплетением также выделялась относительно внутренней и внешней защиты от частиц этих размеров на уровне 50 процентов или чуть меньше.

Исследователи использовали модифицированный анализ осаждения капель, чтобы проверить эффективность при частицах самого крупного размера – 20 микрон и более. Подход аналогичен методу, применяемому для расчета эффективности внешней защиты, но вместо медицинского небулайзера используется аэрограф для испускания самых крупных частиц. Кисть была заполнена солевым раствором, содержащим красный пищевой краситель. Анализ показал отсутствие пятен на предметных стеклах при всех протестированных покрытиях лица, что указывает на то, что все они были способны улавливать частицы размером более 20 микрон. 

Объединив результаты исследования с данными в опубликованной литературе о ношении масок, команда Марр разработала рекомендации по созданию особенно эффективного домашнего покрытия лица: сделайте его трехслойным, из мягкой, гибкой ткани с плотным переплетением, прилегающим ко рту; добавьте слой из материала, предназначенного для фильтрации частиц, такой как вакуумный мешок или фильтр MERV 14,  и, наконец, еще один мягкий слой из ткани с плотным переплетением. Лицевое покрытие должно плотно прилегать к лицу пользователя, без зазоров, которые могут повлиять на его характеристики. 

Джин Пан, аспирантка в докторантуре на отделении гражданской и экологической инженерии, соавтор этого исследования, сказала, что она была мотивирована на проведение экспериментов, чтобы выявить полезные знания во время пандемии, и испытывала любопытство как ученый.

«Я видела много пострадавших людей в этой пандемии, в том числе пациентов и медицинских работников, – сказала Пан. –Я действительно хотела чем-то заняться. Я чувствовала, что могу это сделать. У нас есть оборудование, у нас есть опыт, и мне было любопытно. Какой материал может обеспечить лучшую защиту?» 

Чарбель Харб, еще один аспирант, и Вейнан Ленг, ученый-исследователь, также внесли свой вклад в это исследование. 

По словам Марр, поскольку экспериментальная установка команды тестировала маски в строго контролируемых условиях, исследование имеет определенные ограничения. Без участия людей в экспериментах не учитываются такие переменные, как настройка маски или изменчивость воздушного потока, возникающая при вдохе и выдохе человека. Кроме того, воздушный поток, использованный в дизайне исследования, генерировал частицы с постоянной скоростью и ограничивался одним направлением за раз. 

Тем не менее, Марр считает, что лабораторные исследования могут работать вместе и наряду с другими исследованиями, такими как наблюдательные эпидемиологические исследования, чтобы дать более полную картину эффективности масок в снижении передачи. 

«Ни одно исследование само по себе не расскажет вам всю историю. – сказала Марр. – И никакое вмешательство - маскировка, социальное дистанцирование, мытье рук, вентиляция помещений – в одиночку не остановит распространение COVID-19. Маска – одно из многих вмешательств, которые нам нужно объединить».