Aunque el uso de mascarillas y equipos de protección individual (EPI) ha suscitado gran controversia, se ha comprobado que es una medida eficaz para frenar la propagación del virus. Ahora, con el aumento exponencial del número de casos de infección causada por las variantes ómicron BA.5 y BA.2.75, la mejora de la tecnología empleada en las mascarillas es una cuestión fundamental. La pandemia de la COVID-19 destapó deficiencias en el proceso de desarrollo y producción de mascarillas. Por tanto, la innovación aplicada a las mascarillas será crucial para frenar la propagación de las nuevas variantes del virus.
Aunque son muchos los aspectos relacionados con las mascarillas susceptibles de mejora, este artículo se centra en los avances científicos concebidos para mejorar la filtración y la eliminación de microorganismos.
Rápido crecimiento de la propiedad intelectual y la investigación
CAS Content Collection™ permite ver que los investigadores de todo el mundo se están centrando en lograr que las mascarillas sean más eficaces. Se han publicado más de 17 000 documentos sobre mascarillas y más de la mitad de ellos corresponden a los dos últimos años (figura 1). Cabe destacar el marcado aumento del número de solicitudes de patentes, con China, Estados Unidos y Japón a la cabeza (tabla 1).
Tabla 1. Distribución de las patentes relacionadas con el desarrollo de mascarillas faciales entre los principales países solicitantes
¿Qué detienen exactamente las mascarillas?
Las microgotas respiratorias son los principales vehículos de transmisión del SARS-CoV-2 y, por lo general, las de tamaño inferior a 5 μm se clasifican como aerosoles. La exhalación directa de partículas de aerosoles y microgotas de pacientes infectados es la principal vía de transmisión del SARS-CoV-2. Los aerosoles permanecen suspendidos en el aire y desempeñan un papel fundamental en la propagación de la enfermedad. Esto pone de manifiesto la importancia de limitar la propagación de los aerosoles, de ahí que las mascarillas se hayan identificado como una herramienta clave para el control de la pandemia.
Cómo funcionan las mascarillas hoy en día
El uso de una mascarilla mínima —que puede constar de tan solo dos capas de un material textil de uso doméstico— sigue siendo más eficaz que no llevar mascarilla. La eficiencia de filtración de partículas 300 nm se puede mejorar mediante el uso de distintos tejidos. Esto se debe al efecto sinérgico de la filtración mecánica del algodón y la filtración electrostática de la otra capa, hecha de algún material como la seda (figura 2A).
La mascarilla quirúrgica de tres capas más utilizada durante la pandemia de la COVID-19 consta de tres capas de materiales textiles no tejidos (figura 2B). Las tres capas de la mascarilla actúan conjuntamente para proteger al usuario de las partículas nocivas presentes en el aire. La capa exterior es impermeable, la capa intermedia filtra los agentes patógenos y la capa interior retiene las microgotas respiratorias. La fabricación de los materiales textiles no tejidos es barata y sencilla, por lo que estas mascarillas son muy accesibles para la población.
Nuevos avances para mejorar las mascarillas
El uso de nuevos materiales poliméricos, determinados poliestirenos y policarbonatos ha permitido mejorar la eficacia de las mascarillas en dos aspectos:
1. Mejor filtración: desarrollo de materiales para reducir el tamaño de poro con el fin de capturar y filtrar partículas y patógenos pequeños
2. Mejor eliminación de microorganismos: aumento de las propiedades antimicrobianas mediante la aplicación de revestimientos y funciones de autolimpieza
Mejora de la filtración
La eficacia de las mascarillas con filtro de aire viene determinada por el diámetro de las fibras, el espesor de la membrana y la permeabilidad al aire. Los filtros de partículas actuales están hechos de fibras poliméricas o fibra de vidrio, materiales que retienen partículas de distintos tamaños. En los últimos tiempos, se han desarrollado algunos tipos de filtros de membrana de menor tamaño y mayor superficie. Estos filtros son más eficaces en términos de captura de partículas y reducción de la resistencia del aire.
Membranas de nanofibras poliméricas
La reducción del diámetro de las fibras hasta la escala nanométrica permite aumentar la superficie y mejorar la capacidad de eliminación de partículas. La técnica de electrohilado se utiliza para fabricar membranas de nanofibras de alta transparencia, gran eficiencia y bajo peso. Ya se han creado varios tipos de membranas de nanofibras electrohiladas a partir de diferentes materiales. Estas membranas ofrecen diversas propiedades de superficie y se pueden utilizar en las mascarillas de filtración de aire.
Membranas de electreto
En lo que respecta a la captura de partículas, los filtros de aire electrostáticos son más eficaces que las membranas pasivas debido a que las distancias de atracción son mayores. En la fabricación de membranas de electreto se pueden utilizar tres técnicas de carga: carga in situ, carga por efecto corona y tribocarga. Estas técnicas, por lo general, emplean nanopartículas (como politetrafluoroetileno, nitruro de silicio, estearato de magnesio, etc.) como potenciadores de la carga. Varios filtros de electreto híbridos se han desarrollado mediante la tecnología de carga in situ de electrohilado. Por ejemplo, se ha desarrollado una membrana de polietileno/polipropileno electrohilada con estearato de magnesio que presenta un potencial de superficie de 4,78 kV, así como una eficiencia de filtración muy elevada, del 98,94 %.
Asimismo, 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.
Se ha desarrollado una mascarilla de adsorción electrostática autoalimentada equipada con un nanogenerador triboeléctrico que aumenta en gran medida la eficiencia de eliminación de partículas. Se trata de un nuevo filtro de aire compuesto por varias capas de tejidos de nylon y politetrafluoroetileno. También se ha observado que es eficaz en lo que respecta a la eliminación de partículas de la mascarilla.
Mejora de la eliminación de microorganismos
Si bien los filtros capturan partículas, los microorganismos como las bacterias, los virus y los hongos se adhieren a la superficie del filtro. Por este motivo es necesario que los filtros de aire tengan propiedades antimicrobianas. Hasta la fecha, se han explorado diversos agentes antimicrobianos para aportar a los filtros propiedades biocidas. Estos agentes incluyen productos naturales, nanopartículas metálicas, estructuras metalorgánicas (MOF), grafeno y otros.
Algunos extractos naturales presentan una elevada actividad antimicrobiana debido a los flavonoides que contienen. Varios productos naturales —como aceites del árbol del té, extractos de aceituna, semilla de pomelo y Sophora flavescens— se han pulverizado sobre la superficie de filtros de fibras poliméricas y se ha observado que presentan una notable actividad antimicrobiana.
Nuevas aplicaciones metálicas
Las nanopartículas metálicas presentan un amplio espectro de actividades antibacterianas. El mecanismo de su acción bactericida incluye:
1. Atracción electrostática de las nanopartículas con carga positiva por parte de las paredes celulares bacterianas con carga negativa, lo que provoca la ruptura de la pared celular y favorece el aumento de la permeabilidad.
2. Los iones metálicos pueden atacar a las células provocando la producción de especies reactivas del oxígeno (ROS), lo que desemboca en estrés oxidativo. Esto altera las funciones celulares y, en última instancia, causa la muerte celular.
Las nanopartículas de plata tienen propiedades antimicrobianas, por lo que con frecuencia se utilizan para aumentar la eficacia de las mascarillas con el fin de evitar la propagación de enfermedades.
El cobre y el óxido de cobre presentan potentes propiedades biocidas y se han incorporado a textiles y otros productos con propiedades antimicrobianas y antivíricas. El principal mecanismo de acción de las nanopartículas de cobre es la producción de ROS durante la oxidación.
A su vez, el grafeno y sus derivados se han investigado ampliamente debido a que su gran superficie puede potenciar su actividad antimicrobiana. Un estudio reciente ha revelado que las superficies recubiertas de grafeno se pueden usar para aumentar la temperatura superficial y neutralizar los microorganismos. Al recibir radiación solar, se produce un rápido calentamiento local que elimina rápidamente más del 90 % de las bacterias presentes en el aire. Así pues, se pueden proporcionar mascarillas de grafeno reutilizables y autoesterilizables.
Nuevos métodos de purificación
La purificación del aire por oxidación fotocatalítica es un proceso que consiste en que un catalizador activado por la luz reacciona a los contaminantes orgánicos para oxidarlos. Este proceso degrada diversos contaminantes del aire en formas no tóxicas utilizando luz solar o artificial.
Las mascarillas que contienen nanopartículas de óxido de titanio (TiO2) u óxido de zinc (ZnO) han demostrado su eficacia de filtración. Se ha comprobado que una mascarilla de poliéster recubierta con nanopartículas de ZnO reduce las bacterias de la superficie en un 98 %.
También se ha demostrado la eficacia de los filtros de aire multifuncionales, que eliminan partículas y microorganismos simultáneamente. Hace poco se ha desarrollado una membrana de nanofibras de PTFE revestida de nanovarillas de Ag/ZnO que ofrece una excelente actividad antibacteriana frente a Escherichia coli (E. coli).
También se ha desarrollado otro filtro de aire compuesto por nanotubos de carbono (que rellenan los poros del filtro) y nanopartículas de plata. La carga de las nanopartículas de plata sobre la gran superficie de los nanotubos de carbono aumenta su eficiencia antimicrobiana.
Filtros de estructuras metalorgánicas
Las estructuras metalorgánicas (MOF) son materiales cristalinos porosos coordinados con ligandos orgánicos multidentados. Gracias a su elevada porosidad y su capacidad de ajuste del tamaño de poro, son excelentes filtros.
Por ejemplo, se ha observado que la incorporación de nanocristales de estructura de imidazolato zeolítico-8 (ZIF-8) en membranas de poliamida electrohiladas aumenta en gran medida la eficiencia de filtración de los filtros. Los filtros compuestos por MOF se pueden fabricar en diversos sustratos, como mallas de plástico o materiales textiles no tejidos. Estos filtros son muy eficaces para la eliminación de partículas.
Una mirada al futuro
El uso de mascarillas es, sin duda, un método eficaz para reducir la propagación de los virus respiratorios, como las variantes ómicron BA.5 y BA.2.75. Las nuevas tecnologías y los avances en lo que respecta a la capacidad de filtración y eliminación de microorganismos de las mascarillas serán fundamentales para frenar futuras propagaciones y variantes.
Obtenga más información sobre variantes de la COVID-19 como ómicron BA.5 y sobre el modo en que un abordaje más integral —con vacunas, tratamientos y mascarillas— puede ayudarnos a alcanzar una inmunidad sostenida.