Las mascarillas y los equipos de protección individual (EPI) han sido un tema controvertido, pero se ha demostrado su eficacia para frenar la propagación. Ahora, con el aumento exponencial de las infecciones por las variantes ómicron BA.5 y BA.2.75, mejorar la tecnología de las mascarillas será fundamental. La pandemia de COVID reveló deficiencias en el proceso de desarrollo y producción de mascarillas. Sin embargo, la innovación en este ámbito será crucial para frenar la propagación de nuevas variantes del virus.
Existen muchos factores que pueden mejorarse en las mascarillas, pero este artículo se centra en la ciencia emergente de la mejora de la filtración y la eliminación de microorganismos.
Crecimiento rápido en propiedad intelectual e investigación
La CAS Content Collection™ muestra que los investigadores de todo el mundo se están centrando en cómo hacer que las mascarillas sean más eficaces. Se han publicado más de 17 000 documentos sobre mascarillas, de los cuales más de la mitad corresponden a los dos últimos años (figura 1). Cabe destacar el notable aumento de las solicitudes de patentes, siendo China, Estados Unidos y Japón los países líderes (tabla 1).
Tabla 1. Distribución de las patentes relacionadas con el desarrollo de mascarillas entre los países de los principales solicitantes
¿Qué detienen las mascarillas?
Las gotículas respiratorias son vehículos de transmisión clave para la propagación del SARS-CoV-2, y las de tamaño inferior a 5 μm se clasifican generalmente como aerosoles. La exhalación directa de partículas de aerosol y gotículas de pacientes infectados es el modo predominante de transmisión del SARS-CoV-2. Los aerosoles permanecen suspendidos en el aire y desempeñan un papel clave en la propagación de la infección. Esto subraya la importancia de limitar la propagación de aerosoles, por lo que las mascarillas se han identificado como una herramienta importante en el control de la pandemia.
Cómo funcionan las mascarillas hoy en día
La mascarilla más sencilla puede incluir solo dos capas de tejidos domésticos y, aun así, es más eficaz que no llevar ninguna.La eficiencia de filtración para partículas de < 300 nm y > 300 nm puede mejorarse utilizando diferentes tejidos. Esto se debe al efecto sinérgico de la filtración mecánica del algodón y la filtración electrostática de la otra capa compuesta por materiales como la seda (figura 2A).
La mascarilla quirúrgica de tres capas más utilizada durante la pandemia de COVID-19 está compuesta por tres capas de tejido no tejido (figura 2B). Las tres capas de una mascarilla trabajan conjuntamente para proteger al usuario de las partículas nocivas presentes en el aire. La capa exterior es impermeable, la capa intermedia filtra los patógenos y la capa interior atrapa las gotículas respiratorias. Los tejidos no tejidos son baratos y fáciles de fabricar, lo que los hace fácilmente accesibles para el público.
Nuevos avances para mejorar las mascarillas
Los nuevos materiales poliméricos, ciertos poliestirenos y policarbonatos han permitido mejorar las mascarillas en dos áreas:
1. Mejores filtros: desarrollo de materiales para reducir el tamaño de los poros con el fin de capturar y filtrar partículas pequeñas y patógenos
2. Mejor eliminación de microorganismos: aumento de las propiedades antimicrobianas mediante la aplicación de recubrimientos y propiedades autolimpiantes
Mejora de la filtración
La eficacia de las mascarillas con filtro de aire depende del diámetro de la fibra, el grosor de la membrana y la permeabilidad al aire. Los filtros de partículas actuales están fabricados con fibras poliméricas o fibra de vidrio, que atrapan partículas de diversos tamaños. Recientemente, se han desarrollado nuevos tipos de filtros de membrana más pequeños que poseen una mayor superficie. Estos filtros son más eficientes a la hora de capturar partículas y reducir la resistencia al aire.
Membranas de nanofibras poliméricas
La reducción del diámetro de la fibra a escala nanométrica conduce a una mayor superficie y a una mejor eliminación de partículas. La electrohilatura se utiliza para fabricar membranas de nanofibras con buena transparencia, alta eficiencia y bajo peso. Se han creado varios tipos de membranas de nanofibras electrohiladas a partir de diferentes materiales. Estas membranas poseen distintas propiedades superficiales y pueden utilizarse en mascarillas de filtración de aire.
Membranas electret
Debido a las mayores distancias de atracción, los filtros de aire electrostáticos son más eficaces para atrapar partículas que las membranas pasivas. Se pueden utilizar tres técnicas de carga: carga in situ, carga por corona y tribocarga para fabricar membranas electret. Las nanopartículas (como el politetrafluoroetileno, el nitruro de silicio, el estearato de magnesio, etc.) se emplean habitualmente como potenciadores de carga. Se han desarrollado varios filtros electret híbridos mediante la tecnología de carga in situ de la electrohilatura. Por ejemplo, una membrana de polietileno/polipropileno electrohilada que contenía estearato de magnesio mostró un potencial superficial de 4,78 kV y una alta eficiencia de filtración del 98,94 %.
Se ha inventado un nanogenerador triboeléctrico para la eliminación eficaz de partículas mediante filtros de aire de nanofibras. El nanogenerador triboeléctrico produce energía a partir de movimientos mecánicos, como el movimiento humano, y es adecuado para su uso en dispositivos portátiles autoalimentados.
Una mascarilla de adsorción electrostática autoalimentada equipada con un nanogenerador triboeléctrico mostró una eficiencia de eliminación de partículas muy mejorada. Se trata de otro filtro de aire fabricado con múltiples capas de tejidos de nailon y politetrafluoroetileno. También es eficaz para eliminar partículas de la mascarilla.
Mejora de la eliminación de microorganismos
Aunque los filtros capturan la materia, los microorganismos como bacterias, virus y hongos se adhieren a la superficie del filtro. Por lo tanto, son necesarios filtros de aire con propiedades antimicrobianas. Hasta la fecha, se ha examinado una gran variedad de agentes antimicrobianos para crear propiedades biocidas. Estos agentes incluyen productos naturales, nanopartículas metálicas, estructuras metal-orgánicas (MOF), grafeno y más.
Ciertos extractos naturales presentan una alta actividad antimicrobiana debido a los flavonoides que contienen. Productos naturales como el aceite de árbol de té, extractos de oliva, semilla de pomelo y Sophora flavescens se han pulverizado sobre las superficies de filtros poliméricos fibrosos, proporcionando una buena actividad antimicrobiana.
Nuevas aplicaciones metálicas
Las nanopartículas metálicas presentan un amplio espectro de actividades antibacterianas. Su mecanismo de acción bactericida incluye:
1. Atracción electrostática de las nanopartículas cargadas positivamente por las paredes celulares bacterianas cargadas negativamente, lo que provoca la rotura de la pared celular y una mayor permeabilidad.
2. Los iones metálicos pueden dañar las células al provocar la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que conduce al estrés oxidativo. Esto altera las funciones celulares y, finalmente, mata la célula.
Las nanopartículas de plata poseen propiedades antimicrobianas, por lo que a menudo se utilizan para hacer que las mascarillas sean más eficaces a la hora de prevenir la propagación de enfermedades.
El cobre y el óxido de cobre poseen potentes propiedades biocidas y se han incorporado a tejidos y otros productos con propiedades antimicrobianas y antivirales. El principal mecanismo de acción de las nanopartículas de cobre es la producción de ROS durante la oxidación.
El grafeno y sus derivados han sido ampliamente explorados debido a que aprovechan su gran superficie para mejorar la actividad antimicrobiana. Un estudio reciente informó de que las superficies recubiertas de grafeno pueden utilizarse para aumentar la temperatura superficial y desactivar los microorganismos. Tras la irradiación solar, se genera un calentamiento local rápido y más del 90 % de las bacterias en suspensión mueren rápidamente. De este modo, se pueden proporcionar mascarillas de grafeno reutilizables y autodesinfectantes.
Nuevos métodos de purificación
La purificación del aire mediante oxidación fotocatalítica es un proceso en el que un catalizador activado por luz reacciona con contaminantes orgánicos para oxidarlos. Este método degrada diversos contaminantes atmosféricos transformándolos en sustancias no tóxicas mediante el uso de luz solar o artificial.
Las mascarillas que incorporan nanopartículas de óxido de titanio (TiO2) u óxido de zinc (ZnO) han demostrado una filtración eficaz. Se ha comprobado que una mascarilla fabricada con tejido de poliéster recubierto de nanopartículas de ZnO reduce las bacterias en la superficie en un 98%.
Los filtros de aire multifuncionales, que eliminan simultáneamente partículas y microorganismos, han demostrado su eficacia. Recientemente, se ha creado una membrana de nanofibras de PTFE recubierta con nanovarillas de Ag/ZnO con una extraordinaria actividad antibacteriana frente a la Escherichia coli (E. coli).
Se ha desarrollado otro filtro de aire compuesto por nanotubos de carbono y nanopartículas de plata, en el que los nanotubos ocupan los poros del filtro. La carga de nanopartículas de plata sobre la gran superficie de los nanotubos de carbono mejora su eficacia antimicrobiana.
Filtros de redes metal-orgánicas
Las redes metal-orgánicas (MOF, por sus siglas en inglés) son materiales cristalinos porosos coordinados con ligandos orgánicos multidentados. Son filtros excelentes debido a su elevada porosidad y al tamaño ajustable de sus poros.
Por ejemplo, la incorporación de nanocristales de red zeolítica de imidazolato-8 (ZIF-8) en membranas de poliimida electrohiladas mejoró notablemente la eficacia de filtración de los filtros. Los filtros basados en MOF pueden fabricarse sobre diversos sustratos, como mallas de plástico o tejidos no tejidos. Estos filtros funcionan eficazmente para la eliminación de partículas.
Perspectivas de futuro
Las mascarillas son una forma eficaz de frenar la propagación de virus respiratorios como las variantes ómicron BA.5 y BA.2.75. Las nuevas tecnologías y los avances en la filtración de mascarillas y la eliminación de microorganismos serán fundamentales para ralentizar futuras propagaciones y variantes.
Obtenga más información sobre las variantes de la COVID-19 como la BA.5 y cómo un enfoque más integral, que incluya vacunas, terapias y mascarillas, puede ayudarnos a lograr una inmunidad sostenida.
