Методы и материалы
В этом исследовании обычные бытовые материалы (см. Таблицу 1) подвергались воздействию высоких концентраций бактериальных и вирусных аэрозолей для оценки их эффективности фильтрации. Хирургические маски считались типом маски, который наиболее вероятно будет использоваться широкой публикой, и они использовались в качестве контроля. Падение давления на каждом из материалов было измерено, чтобы определить комфорт и посадку между лицом и маской, которые потребуются для того, чтобы сделать материал пригодным для использования в форме маски. Мы разработали протокол для создания «самодельной» маски, основанной на дизайне хирургической маски, и добровольцам было предложено сделать свои собственные маски. Затем они были количественно протестированы. Чтобы определить влияние самодельных и хирургических масок на предотвращение рассеивания капель и аэрозольных частиц, производимых пользователем, общее количество бактерий измеряли, когда добровольцы кашляли в домашней самодельной маске, хирургической маске и без маски.
Таблица 1 Эффективность фильтрации и перепад давления в материалах, испытанных с помощью аэрозолей Bacillus atrophaeus и Bacteriophage MS2 (30 л / мин)
a Цифры в скобках относятся к результатам для 2 слоев ткани.
Тестирование эффективности фильтрации
Для сравнения был протестирован ряд обычных бытовых материалов, а также материал из хирургической маски (защитная маска Mölnlycke Healthcare Barrier 4239, EN14683, класс I). Круглые вырезы испытуемых материалов помещали без натяжения в воздухонепроницаемые оболочки, создавая «фильтр», в котором материал служил единственным барьером для переноса аэрозоля.
Аппарат Хендерсона позволяет генерировать микробные аэрозоли в замкнутом контуре из распылителя Collison при контролируемой относительной влажности. Этот инструмент использовался для подачи аэрозоля для контрольного заражения через каждый материал со скоростью 30 л / мин, используя метод Уилкса-Эталя 2, который составляет примерно от 3 до 6 раз в минуту вентиляцию человека в покое или при выполнении легких работ, но меньше, чем 0,1 поток среднего кашля.
Воздух ниже по потоку отбирали одновременно в течение 1 минуты в 10 мл пеногасителя на фосфатном буфере, используя 2 полностью стеклянных импингера. Один из них взял пробы на микроорганизмы, проникшие через фильтр материала, а другой - на контроль (без фильтра). Собирающая жидкость была удалена из импинджеров и проанализирована на наличие микроорганизмов. Этот тест был выполнен 9 раз для каждого материала. Эффективность фильтрации (FE) ткани рассчитывали по следующей формуле (КОЕ указывают колониеобразующие единицы):
Падение давления на ткани измеряли с помощью манометра (P200UL, Digitron) с датчиками, расположенными по обе стороны от корпуса фильтра, в то время как он подвергался воздействию чистого аэрозоля с той же скоростью потока.
Микроорганизмы
Два микроорганизма были использованы для имитации заражения частицами: Bacillus atrophaeus представляет собой палочковидную спорообразующую бактерию (0,95-1,25 мкм), которая, как известно, переживает стрессы, вызванные аэрозолизацией3. Суспензия была приготовлена из партий, ранее подготовленных Агентством по охране здоровья, Центр по подготовке к чрезвычайным ситуациям и реагированию. Каждый материал был заражен примерно 107 КОЕ атрофею.
Бактериофаг MS2 (MCIMB10108) представляет собой неразвитый одноцепочечный РНК-колифаг, диаметром 23 нм, который, как известно, выдерживает стрессы аэрозолизации. Каждый материал подвергался воздействию примерно 109 бляшкообразующих единиц (БОЕ) бактериофага MS2.
Два тестируемых организма можно сравнить по размеру с вирусом гриппа, который является плеоморфным и находится в диапазоне от 60 до 100 нм; Yersinia pestis, которая составляет 0,75 мкм; B антрацис, который составляет от 1 до 1,3 мкм; Francisella tularensis, который составляет 0,2 мкм; и Mycobacterium tuberculosis, который составляет от 0,2 до 0,5 мкм. 6 Бактериофаг MS2 и B atrophaeus были выбраны в качестве тестируемых организмов для представления вируса гриппа. Это решение было принято не только из-за более низкого риска сопутствующей инфекции, но и потому, что технически было бы легче выполнить работу с использованием организма Консультативного комитета по опасным патогенам (ACDP) класса 1 по сравнению с гриппом организма ACDP класса 2.
Изготовление маски для лица
Для этого исследования был нанят 21 здоровый добровольец, 12 мужчин и 9 женщин. Участники были в возрасте от 20 до 44 лет; большинство было в возрасте от 20 до 30 лет. Каждый волонтер делал самодельную маску для лица по протоколу, разработанному авторами. Все маски были изготовлены из 100% хлопковой футболки с использованием швейных машин для ускорения строительства. В качестве контроля использовали хирургическую маску (маска для лица Mölnlycke Health Care Barrier 4239, EN14683, класс I). Кроме того, все добровольцы заполнили анкету с указанием своего мнения о ношении маски.
Определение фактора соответствия маски
Для измерения подгонки респиратора использовалась коммерческая система тестирования подгонки (TSI PortaCount Plus Respirator Fit Tester и N95-Companion Module модель 8095) путем сравнения концентрации микроскопических частиц вне респиратора с концентрацией частиц, которые просочились в респиратор. Соотношение этих двух концентраций известно как фактор соответствия. Для проведения испытания на пригодность устройство было установлено и эксплуатировалось в соответствии с инструкциями производителя.
Добровольцев проинструктировали надевать их хирургические и домашние маски для лица без помощи или руководства оператора; обеспечить, чтобы маска была удобной в течение 2 минут; участникам было дано время для очистки любых частиц, попавших в маску. Затем был проведен тест на подгонку, когда добровольцы выполняли следующие последовательные упражнения, каждое продолжительностью 96 секунд: (1) нормальное дыхание, (2) глубокое дыхание, 7 (3) движение головы из стороны в сторону, (4) движение головы вверх и вниз, (5) говорить вслух (читать подготовленный абзац), (6) сгибаться в пояснице, как будто касаясь их пальцев ног, и (7) нормально дышать.
Определение влияния масок на предотвращение рассеивания капель и аэрозолей
Закрытую мобильную камеру для отбора проб объемом 0,5 м3 или камеру для кашля, которая была сконструирована для взятия проб аэрозолей и капель от здоровых добровольцев (PFI Systems Ltd, Милтон-Кейнс), поместили в высокочастотные твердые частицы с воздушным фильтром объемом 22,5 м3 экологическая комната. Четыре отстойника были помещены в коробку от кашля для отбора проб на капли, вместе с 6-ступенчатым пробоотборником Андерсена для отбора проб и отделения мелких частиц. 8 Пробоотборный пробоотборник Casella 9 также был прикреплен к коробке от кашля. В качестве питательной среды использовали триптозо-соевый агар. Добровольцы в защитной одежде (костюмы Tyvek) дважды кашляли в коробку, и воздух изнутри отбирался в течение 5 минут. У каждого добровольца брали пробы 3 раза: в маске домашнего изготовления, хирургической маске и без маски. Воздух внутри камеры от кашля подвергался высокочастотной фильтрации частиц в течение 5 минут между каждым образцом для предотвращения перекрестного загрязнения между образцами. Планшеты инкубировали в течение минимум 48 часов при 37 ° С перед подсчетом.
Статистический анализ
Чтобы оценить подгонку лицевой маски, средний и межквартильный диапазон были рассчитаны для каждого упражнения и маски для 21 человека. Тесты рангов Вилкоксона были использованы для сравнения масок. Тот же подход был использован для определения различий между различными типами масок и их эффективности в предотвращении распространения капель и частиц.
Результаты
Эффективность фильтрации
Все испытанные материалы показали некоторую способность блокировать микробные аэрозоли. В целом, эффективность фильтрации для бактериофага MS2 была на 10% ниже, чем для B atrophaeus (таблица 1). Хирургическая маска имела наивысшую эффективность фильтрации при воздействии бактериофага MS2, за которым следовал мешок пылесоса, но жесткость и толщина пакета создавали высокое падение давления на материале, что делало его непригодным для маски для лица. Аналогично, чайное полотенце, представляющее собой прочную ткань с плотным переплетением, показало относительно высокую эффективность фильтрации как для B atrophaeus, так и для бактериофага MS2, но также был измерен высокий перепад давления.
Хирургическая маска (контрольная) показала наивысшую эффективность фильтрации при атрофии B. Кроме того, как и ожидалось, его измеренный низкий перепад давления показал, что он является наиболее подходящим материалом среди тех, которые были испытаны для использования в качестве маски для лица. Было установлено, что наволочка и футболка из 100% хлопка являются наиболее подходящими бытовыми материалами для импровизированной маски для лица. Немного эластичное качество футболки сделало ее более предпочтительным выбором для маски для лица, так как считалось, что она лучше подойдет.
Хотя удвоение слоев ткани действительно значительно увеличивало перепад давления, измеренный во всех 3 материалах (P <0,01, используя критерий рангов Уилкоксона), только 2 слоя материала чайного полотенца продемонстрировали значительное увеличение эффективности фильтрации, которая была незначительно выше, чем маски для лица.
В вопроснике об использовании маски во время пандемии 6 участников заявили, что они будут носить маску, 6 сказали, что никогда не наденут маску, а 9 либо не знали, либо не определились. Никто из участников не сказал, что они будут носить маску все время. За одним исключением все участники сообщили, что их маска лица была удобной. Однако продолжительность времени, в течение которого каждый участник держал свою маску во время тестирования, была минимальной (15 минут), и при длительном ношении комфорт может уменьшиться.
Тестирование подгонки лицевой маски
Тест рангов Уилкоксона показал значительную разницу между самодельной и хирургической маской для каждого упражнения и в целом (все тесты показали Р <0,001). Медианный и межквартильный диапазон для каждой маски и упражнения приведены в таблице 2.
Таблица 2 Результаты по срединному и межквартильному диапазону при тестировании респираторной подгонки домашних и хирургических масок
Предотвращение распространения капель и частиц при кашле
Результаты экспериментов с кашлевой коробкой показали, что как хирургическая маска, так и маска домашнего изготовления снижали общее количество микроорганизмов, выделяемых при кашле (P <0,001 и P = 0,004 соответственно; см. Таблицу 3).
Таблица 3 Срединные колониеобразующие единицы методом выборки, выделенным от кашля добровольцев при ношении хирургической маски, домашней маски и без маски
При анализе влияния ношения маски на уменьшение количества микроорганизмов, выделенных из пробоотборника воздуха Андерсона (таблица 4), было установлено, что хирургическая маска в целом более эффективна для уменьшения количества выбрасываемых микроорганизмов, чем самодельная маска, особенно при самой низкой маске. размеры частиц. Количество микроорганизмов, выделенных из кашля здоровых добровольцев, как правило, было низким, хотя оно варьировалось в зависимости от индивидуального образца (таблица 3). Поэтому возможно, что ограничения выборки отрицательно повлияли на статистический анализ.
Таблица 4 Общее количество колониеобразующих единиц, выделенных по размеру частиц от 21 добровольца, кашляющего при ношении хирургической маски, домашней маски и без маски
Тесты Пирсона χ2, в которых сравнивалось соотношение частиц диаметром более 4,7 мкм и частиц диаметром менее 4,7 мкм, показали, что домашняя маска значительно не уменьшает количество испускаемых частиц (P = 0,106). Напротив, хирургическая маска имела значительный эффект (P <.001).
обсуждение
Маски для лица уменьшают воздействие аэрозоля за счет сочетания фильтрующего действия ткани и уплотнения между маской и лицом. Эффективность фильтрации ткани зависит от множества факторов: структуры и состава ткани, а также от размера, скорости, формы и физических свойств частиц, которым она подвергается. 10 Хотя любой материал может создавать физический барьер для инфекции, если в качестве маски она плохо помещается вокруг носа и рта или материал свободно пропускает через нее инфекционные аэрозоли, то это не принесет пользы.
Тестовые организмы в этом исследовании могут быть использованы для оценки эффективности этих масок против вируса гриппа, потому что практически любая аэрозольная частица будет вести себя преимущественно в воздухе в результате своих физических характеристик, а не биологических свойств (то есть частицы вируса гриппа будут перемещаться в воздухе таким же образом, как частицы эквивалентного размера). Поэтому, поскольку мы проверили вирусный патоген, меньший, чем грипп, и бактериальный патоген, больший, чем грипп, мы проверили маски для лица с подходящей проблемой в диапазоне размеров частиц вируса гриппа. Кроме того, данные этого исследования также могут быть применены к другим организмам в этом диапазоне размеров, которые потенциально могут передаваться по аэрозольному маршруту.
Количественное тестирование соответствия может только оценить совокупное влияние эффективности фильтрации и качества соответствия. Хотя он чувствителен к частицам диаметром до 0,02 мкм, он не чувствителен к изменениям размера частиц, формы, состава или показателя преломления. В результате этот метод испытания на пригодность не позволяет провести различие между истинными биоаэрозолями и загрязнением капель.
Исследование, проведенное в Нидерландах с использованием коммерческой системы тестирования пригодности (Portacount Plus Respirator Fit Tester) для добровольцев, носящих как импровизированные маски из чайных салфеток, так и хирургические маски в течение 3-часового периода, обнаружило результаты, сходные с найденными в этом исследовании. Авторы продемонстрировали средний коэффициент защиты от 2,2 до 2,5 для различных видов деятельности при ношении маски с фильтром для чайного полотенца и коэффициенты защиты от 4,1 до 5,3 для хирургической маски. Интересно, что исследование также показало, что средние защитные факторы увеличивались в течение 3-часового периода для тех, кто носил домашние маски, и уменьшались для тех, кто носил маскирующие маски (FFP2), которые снижают подверженность пользователя воздействию частиц в воздухе в 10 раз. и не продемонстрировал единой картины для тех, кто носит хирургическую маску.
Материалы, использованные в этом опубликованном исследовании, были свежими и ранее не использованными. Вполне вероятно, что материалы, кондиционированные водяным паром для создания ткани, подобной ткани, которую носили в течение нескольких часов, продемонстрировали бы очень различную эффективность фильтрации и перепады давления. Напротив, исследование фильтров дыхательной системы обнаружило более значительный прорыв бактериофага MS2 на предварительно подготовленных фильтрах. Хотя размеры капель как для вируса, так и для бактерий были одинаковыми и влияли на фильтрующую среду аналогичным образом, было высказано предположение, что вирусы после контакта с влагой на фильтре высвобождаются из своей каплеуловительной камеры и продвигаются вперед поток газа.12
Средняя концентрация микроорганизмов Streptococcus в слюне, по оценкам, составляет 6,7 × 107 КОЕ / мл, 13 что выше, чем у вирусов гриппа у привитых добровольцев14. Следовательно, число выделенных микроорганизмов в полости рта вполне может указывать на концентрацию. гриппа пролить. Результаты теста от кашля показали, что хирургические маски оказывают существенное влияние на предотвращение рассеивания крупных капель и некоторых более мелких частиц при кашле здоровых добровольцев. Самодельная маска также предотвращала выброс некоторых частиц, хотя и не на том же уровне, что и хирургическая маска. Количество микроорганизмов, выделенных из кашля у здоровых добровольцев, в целом было очень низким, и вполне вероятно, что если бы мы использовали добровольцев с респираторными инфекциями, домашняя маска, возможно, показала более существенный эффект в предотвращении выделения капель.
Во время этого исследования было замечено, что у добровольцев были большие различия в способе подгонки хирургической маски. Необходимость завязывать ремни на затылке означала, что хирургическая маска подходила разными способами. Напротив, маска для лица имела петлевые эластичные ремни, которые было легче облегать волонтеру.
Комфорт должен быть важным фактором в материале, используемом для изготовления самодельной маски. Падение давления в маске является полезной мерой как сопротивления дыханию, так и возможности обхода воздуха вокруг уплотнения фильтра. Если защита органов дыхания не способна удовлетворить потребности дыхания пользователя, то устройство будет создавать дополнительную дыхательную нагрузку на пользователя, что особенно невыполнимо для людей с затрудненным дыханием. Кроме того, дополнительная дыхательная нагрузка может вызвать утечку из-за повышенного отрицательного давления в лицевой маске.
На практике люди не будут носить неудобную маску в течение длительного периода; даже если они это сделают, вряд ли они будут правильно носить маску. Во время вспышки тяжелого острого респираторного синдрома был описан рейс из Бангкока, Таиланд, в Манчестер, Англия. описали, как владельцы масок снимают свою маску, чтобы кашлять, чихать и вытирать нос (не обязательно в носовой платок) и перебирать общую хлебную корзину16. Для тех, кто носит маску по необходимости, таких как медицинские работники, регулярные тренировки и Подходящие испытания должны быть подчеркнуты. Принимая во внимание, что для тех, кто выбирает домашнюю маску, должны быть выделены требования очистки и смены маски. Что наиболее важно, следует подчеркнуть более низкие защитные возможности самодельной маски, чтобы избежать ненужных рисков.
Вывод
Защитная маска может снизить вероятность заражения, но не устранит риск, особенно если заболевание имеет более 1 пути передачи. Таким образом, любая маска, независимо от того, насколько эффективна фильтрация или насколько хороша печать, будет иметь минимальный эффект, если ее не использовать в сочетании с другими профилактическими мерами, такими как изоляция зараженных случаев, иммунизация, хороший дыхательный этикет и регулярная гигиена рук. Импровизированную маску для лица следует рассматривать как последнюю возможную альтернативу, если запас коммерческих масок для лица отсутствует, независимо от заболевания, от которого она может потребоваться для защиты. Импровизированные домашние маски для лица могут быть использованы, чтобы помочь защитить тех, кто потенциально, например, подвергается профессиональному риску, от тесного или частого контакта с пациентами с симптомами. Тем не менее, эти маски обеспечат владельцам мало защиты от микроорганизмов от других людей, инфицированных респираторными заболеваниями. В результате мы бы не рекомендовали использовать домашние маски для лица в качестве метода снижения передачи инфекции от аэрозолей
