El futuro de las máscaras faciales: cobre, grafeno y tela autodesinfectante: Los científicos están compitiendo para diseñar una máscara facial de alta tecnología que pueda desgarrar el coronavirus.

En los incipientes días de la pandemia de COVID-19, Jiaxing Huang observó cómo el nuevo virus abrumaba a los hospitales en su China natal. Profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Northwestern, contactó a colegas en su país para intercambiar ideas sobre cómo aplicar su experiencia para mitigar futuras pandemias y envió las sugerencias publicadas posteriormente a la National Science Foundation.

La NSF tuvo una idea similar, y finalmente solicitó propuestas de subvención de investigación no médica de respuesta rápida para abordar la propagación del virus SARS-CoV-2. Pero no antes de premiar a Huang. A mediados de marzo, se convirtió en el primer científico de materiales en recibir una subvención de $ 200,000 para desarrollar un complemento químico para máscaras tradicionales que pueden destruir COVID-19. Ahora Huang y su equipo han dejado de lado sus otras investigaciones para concentrarse en este nuevo proyecto.

“Estaba tratando de motivar a mis compañeros y estudiantes para que, aunque no trabajemos en la primera línea o en la investigación relacionada con virus, todavía hay formas en que podemos ayudar”, dice Huang. “Queremos ser parte del esfuerzo a largo plazo para contribuir, no solo para la pandemia actual, sino también para estar mejor preparados para las futuras”.

Los estudios han demostrado que las máscaras y los respiradores reducen la propagación del coronavirus y las tasas de infección, y varios estados los exigen en público o cuando no practican el distanciamiento social. El aumento de la demanda, junto con la escasez, ha hecho que sus precios promedio se cuadrupliquen. La firma de análisis de tecnología médica Life Science Intelligence estima que las ventas globales de máscaras y respiradores superarán las estimaciones previas a la pandemia en un 211% y 305%, respectivamente, dependiendo de cómo se propague el virus COVID-19.

Con máscaras y respiradores de grado médico escasean para los trabajadores de la salud y los civiles que se las arreglan con versiones de tela improvisadas, la búsqueda está en marcha para una protección facial más efectiva, antimicrobiana y reutilizable para todos. Es particularmente urgente en los EE. UU., El líder mundial en casos de COVID-19, que han aumentado a casi 1,4 millones y amenazan con empeorar a medida que los estados relajan las medidas de refugio en el lugar.

APROVECHANDO COBRE EN MÁSCARAS

En este momento, el estándar de oro para proteger a las personas del virus es el respirador desechable N95 de grado médico , que atrapa partículas a través de capas de filtros y carga electrostática. Esto permite que los respiradores N95 filtren el 95% de las partículas que no son de aceite tan pequeñas como 0.3 micrones de diámetro. Aunque el coronavirus es más pequeño, entre 0.05 y 0.2 micras de diámetro, usar máscaras con poros más pequeños es problemático porque dificultan la respiración. En cambio, las máscaras N95 frustran el camino del virus con múltiples capas, mientras que la electricidad estática atrae el SARS-CoV-2 a la tela. Sin embargo, están hechos para un solo uso, ya que los líquidos y la humedad (incluidas las gotas en aerosol , los estornudos y la exhalación) amortiguan esas cargas y hacen que las máscaras sean menos efectivas cuanto más se usan.

Incluso antes de la pandemia, investigadores y fabricantes de todo el mundo intentaban crear máscaras reutilizables que filtraban y destruían bacterias y virus. Varias máscaras antimicrobianas que ya están en el mercado usan filtros y nanofajis con infusión de cobre, que están diseñados con pequeñas partículas para darles atributos mejorados como resistencia al agua, al olor y a los microbios.

El cobre tiene propiedades antimicrobianas de larga data que incluyen matar al virus COVID-19 en cuatro horas. Los iones de cobre cargados positivamente atraen y atrapan las bacterias y la mayoría de los virus, que están cargados negativamente. Los iones de cobre luego penetran en los microbios y destruyen su capacidad de replicarse, reduciendo significativamente la cantidad de partículas infecciosas que pueden atravesar los poros de la máscara. (Los iones de plata y zinc, también utilizados en algunas máscaras, desactivan los microbios de manera similar).

Pero solo tener una capa o recubrimiento antimicrobiano no es suficiente. Las personas que compran tales máscaras deben considerar una combinación de factores: el tamaño de poro, el número y el tipo de capas, así como el sello. Por ejemplo, los respiradores médicos N95 tienen barras de metal que los usuarios pueden doblar para que el borde superior se adapte a sus puentes nasales y mejillas inferiores.

“Una de las formas en que se propaga COVID-19 es a través de las secreciones de la nariz y la boca (transmisión de gotitas) y probablemente por la transmisión por el aire (como exhalar el virus)”, dice Carl Fichtenbaum, profesor de enfermedades infecciosas en la Universidad de Cincinnati College. de Medicina. “Si alguien estornudara o tosiera, la máscara no debería caerse de la cara. Por lo tanto, debe saber si el cobre u otras máscaras químicamente mejoradas tienen la misma capacidad que una máscara N95 para formar un sello hermético y si hay suficientes capas para evitar el paso de gotas o partículas en el aire “.

Las máscaras que usan tecnología de cobre varían ampliamente en términos de grados de efectividad, precio y longevidad, algunas destinadas al uso sanitario y otras simplemente como una actualización de las máscaras de tela. Los costos de las máscaras individuales generalmente oscilan entre $ 10 y $ 70, con propiedades antimicrobianas que duran desde 30 lavados hasta la vida útil del producto. Algunas compañías han probado sus productos contra otros virus, aunque ninguno lo ha hecho contra COVID-19, que requiere instalaciones altamente especializadas que no están fácilmente disponibles. “El tamaño del virus, el nivel de infectividad y las propiedades químicas varían e influyen en el funcionamiento de las máscaras”, agrega Fichtenbaum.

Algunas máscaras de alta tecnología tienen un precio alto, en el rango de $ 50 a $ 70. La compañía israelí de tecnología de fibra Argaman tiene una con cuatro capas con infusión de cobre y filtros de óxido de cobre de la firma checa Respilon, que también vende sus propias máscaras. La startup israelí Sonovia utiliza un recubrimiento de óxido de zinc y una filtración de cinco micras que se supone que durará un año.

Las compañías que se especializan en indumentaria antimicrobiana con cobre y en tiendas especializadas en máscaras ofrecen versiones más asequibles. Copper Compression y Copper Clothing, con sede en el Reino Unido, ofrecen máscaras de cuatro capas que bloquean el 99% de las partículas, mientras que Copper Mask utiliza cobre de seis capas y filtros HEPA que bloquean el 92%. Otra compañía, Kuhn Copper Solutions, fundada por la microbióloga Phyllis Kuhn, una de las primeras defensoras del uso del cobre en los hospitales, se especializa en máscaras e insertos de malla de cobre que se pueden combinar con versiones tradicionales o de tela.

También puede encontrar máscaras de algodón con infusión de cobre en algunas tiendas de muebles y prendas de vestir, como The Futon Shop , CustomInk y Atoms shoes, que se subieron al carro de cobre al aprovechar las tuberías de producción existentes.

Noblemente, algunas de estas compañías han hecho su parte para abordar la escasez de máscaras. Copper Compression donó 18,000 máscaras a los hospitales del área de Nueva York y Nueva Jersey, mientras que Atoms está donando una máscara por cada máscara vendida a la Autoridad de Vivienda de la Ciudad de Nueva York.

MÁSCARAS DE INGENIERÍA QUE SE DESINFECTAN

La pandemia también ha llevado a las universidades de todo el mundo a intensificar la investigación sobre la nueva tecnología de mascarillas, especialmente a través de la integración de productos químicos antivirales o la reutilización de técnicas de filtración de agua.

En lugar de reinventar la máscara infundida con cobre, Huang de Northwestern está buscando una forma económica de incorporar productos químicos que se encuentran tradicionalmente en productos de saneamiento, que se sabe que desactivan una amplia gama de virus. Está buscando aerosoles, así como telas, parches e insertos tratados químicamente para máscaras desechables o de bricolaje, todo lo cual aumentaría la efectividad de las máscaras existentes. “De lo que debemos preocuparnos es de cómo reparar estos agentes para que no se liberen fácilmente cuando las personas inhalan y entran en sus pulmones”, dice. “Pero luego necesitamos que desaparezcan durante la exhalación. Ese es el desafío de la ciencia “.

La subvención de Huang le da un año para publicar sus hallazgos, lo que espera inspire a otros a diseñar productos que los utilicen. “Lo que podemos hacer mejor es realmente mostrarle a la gente que esta idea funciona”, dice. “Esa es nuestra contribución: acelerar las soluciones técnicas”.

Mientras tanto, los investigadores israelíes han intentado un enfoque similar que ya se está probando en el Centro Médico de Galilea. El profesor de ingeniería mecánica Eyal Zussman del Instituto de Tecnología Technion-Israel dirigió un equipo que desarrolló una etiqueta adhesiva de fibra nanoescala impresa en 3D recubierta con antisépticos que atrapan partículas y neutralizan los virus en las gotas que caen sobre la máscara. La pegatina se adhiere a una máscara tradicional para proporcionar protección adicional.

Otros investigadores están encontrando formas de aplicar la tecnología de purificación de agua a la filtración de aire. Chris Arnusch, profesor de investigación del agua en la Universidad Ben Gurion (BGU), también en Israel, pasó cinco años desarrollando membranas de grafeno poroso con propiedades antimicrobianas y antivirales para su uso en la purificación del agua. Ahora, está tratando de validar la tecnología para el aire, con la intención de adaptarla para máscaras o filtros de aire. El grafeno puro es una capa de grafito de un átomo de espesor, un componente utilizado en la mina de lápiz, que es increíblemente fuerte y conduce electricidad. Arnusch crea una forma de grafeno similar a la espuma para sus filtros al entrenar un láser en superficies de plástico. Armado con fondos iniciales de BGU y el gobierno israelí, ahora se está asociando con una startup para comercializar este y otros productos.

“En el caso de mis filtros de agua, los poros son más grandes que las bacterias y los virus”, dice Arnusch. “Pero si electrificas la superficie en agua, mata las bacterias y los virus a medida que pasan. Estoy tratando de ver si funciona en el aire. Una vez comprobado, solo tenemos que adaptarlo a una máscara o filtro de aire “.

El grafeno inducido por láser también interesó a los investigadores de la Universidad Politécnica de Hong Kong, que están aplicando el material a las máscaras quirúrgicas desechables para que sean auto-esterilizantes y ultra repelentes al agua, por lo que las gotas cargadas de virus se caen. En un artículo de abril, notaron que la luz del sol teóricamente podría esterilizar una máscara recubierta de grafeno calentándola a 176 ° F.

Los investigadores de la Universidad de Cincinnati también están desarrollando filtros de máscara adaptando la tecnología de filtración de agua al aire. El proyecto consiste en integrar un calentador de nanotubos de carbono en una tela que está hecha de nanotubos de carbono y fibras de polímero. Los pequeños diámetros de los nanotubos y el área de alta superficie colectiva podrían separar eficazmente a los microbios, mientras que calentar el carbono podría matarlos. Después de haber aplicado con éxito esta técnica del calentador de nanotubos de carbono a la industria de purificación de agua, el equipo está tratando de usarla para filtrar el aire, con el apoyo del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional, una división de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades.

En la lucha contra COVID-19, incluso las máscaras más efectivas deben trabajar en conjunto con otras medidas de protección, como el distanciamiento social y el lavado de manos. Y puede ser demasiado pronto para saber si las máscaras de alta tecnología funcionan mejor que sus primos más simples.
“El resultado final, por supuesto, es que tienes que probar esto en un entorno de la vida real para ver si lo que dices que hace, en realidad lo hace”, dice Fichtenbaum. “Se han realizado pruebas en una variedad de máscaras, con diferentes resultados de diferentes virus. No todos los virus son iguales “.

SOBRE EL AUTOR

Susan Karlin de Ffastcompany.com es una periodista galardonada en Los Ángeles y colaboradora habitual de Fast Company, que abarca la ciencia espacial y el nexo de la ciencia, la tecnología y las artes.Los créditos anteriores incluyen IEEE Spectrum, Newsweek, Forbes, Wired, Scientific American, Discover, New York and London Times, NPR y BBC Radio Más