マスクや個人用防護具（PPE）は意見が分かれるトピックとなってきましたが、感染拡大の抑制に有効であることは証明されています。現在、オミクロン株の変異株であるBA.5およびBA.2.75による感染が急拡大する中、マスク技術の向上は極めて重要です。新型コロナウイルスのパンデミックは、マスクの開発および生産プロセスにおける課題を浮き彫りにしました。今後、ウイルスの新たな変異株の蔓延を抑えるためには、マスクのイノベーションが不可欠となります。
マスクには改善すべき点が数多く存在しますが、本記事では、ろ過性能と微生物除去の向上という新たな科学的アプローチに焦点を当てます。
知的財産と研究の急速な成長
CAS Content Collection™によると、世界中の研究者がマスクの有効性を高める方法に注目しています。マスクに関する文献は17,000件以上発表されており、その半数以上が過去2年間に集中しています（図1）。特筆すべきは特許出願の顕著な増加であり、中国、米国、日本が主要な出願国となっています（表1）。
表1. 主要な出願国別のマスク開発関連特許の分布
マスクは何を防いでいるのか
呼吸器飛沫はSARS-CoV-2の主要な伝播媒体であり、5μm未満のものは一般的にエアロゾルに分類されます。感染者から直接排出されるエアロゾル粒子や飛沫は、SARS-CoV-2の主な感染経路です。エアロゾルは空気中に浮遊し続け、感染拡大に重要な役割を果たします。このことはエアロゾルの拡散を抑える重要性を強調しており、マスクはパンデミック対策における重要なツールとして位置付けられています。
現在のマスクの仕組み
家庭用布地を2枚重ねただけの簡易的なマスクであっても、何も着けないよりは高い効果を発揮します。ろ過効率は、異なる布地を組み合わせることで、300nm未満および300nmを超える粒子に対して向上させることができます。これは、綿による機械的ろ過と、シルクなどの素材を用いた層による静電的ろ過の相乗効果によるものです（図2A）。
新型コロナウイルスのパンデミックで最も広く使用された3層構造のサージカルマスクは、不織布の3層で構成されています（図2B）。マスクの3つの層は連携して、有害な浮遊粒子から着用者を保護します。外層は防水性、中間層は病原体のろ過、内層は呼吸器飛沫の捕捉という役割を担っています。不織布は安価で製造が容易なため、一般の人々にとって入手しやすいものとなっています。
マスクを改良するための新たな進歩
新しい高分子材料、特定のポリスチレン、およびポリカーボネートの登場により、マスクは以下の2つの面で改善されました。
1. フィルター性能の向上：微粒子や病原体を捕捉・除去するために孔径を小さくする材料開発
2. 微生物除去能力の向上：コーティング技術やセルフクリーニング機能の適用による抗菌性の強化
ろ過性能の向上
空気清浄マスクの有効性は、繊維径、膜厚、通気性によって決まります。現在の粒子状物質用フィルターは、さまざまなサイズの粒子を捕捉する高分子繊維やガラス繊維で作られています。近年、より大きな表面積を持つ新しいタイプの微細膜フィルターが開発されました。これらのフィルターは、粒子の捕捉効率が高く、空気抵抗を低減できるのが特徴です。
高分子ナノファイバー膜
繊維径をナノスケールまで細くすることで、表面積が増大し、粒子除去性能が向上します。エレクトロスピニング法は、ナノファイバー膜の製造に用いられ、優れた透明性、高効率、軽量性を実現します。さまざまな材料から、数種類のエレクトロスピニングナノファイバー膜が開発されています。これらの膜はそれぞれ異なる表面特性を持ち、空気清浄マスクに使用可能です。
エレクトレット膜
静電式空気フィルターは、引き寄せ距離が長いため、受動的な膜よりも効率的に粒子を捕捉できます。エレクトレット膜の製造には、その場（in situ）帯電、コロナ帯電、摩擦帯電という3つの帯電技術が用いられます。電荷増強剤としては、通常、ナノ粒子（ポリテトラフルオロエチレン、窒化ケイ素、ステアリン酸マグネシウムなど）が使用されます。エレクトロスピニングのその場帯電技術により、いくつかのハイブリッドエレクトレットフィルターが開発されています。例えば、ステアリン酸マグネシウムを含むエレクトレット膜の製造において、エレクトロスピニングポリエチレン/ポリプロピレン膜は4.78kVの表面電位と98.94%という高いろ過効率を示しました。
ナノファイバー空気フィルターによる効率的な粒子除去のために、摩擦電気ナノ発電機が発明されました。この発電機は、人の動きなどの機械的運動からエネルギーを生成し、自己発電型ウェアラブルデバイスへの利用に適しています。
摩擦電気ナノ発電機を搭載した自己発電型静電吸着マスクは、摩擦電気ナノ発電機を搭載した粒子除去効率を大幅に向上させました。これは、ナイロンとポリテトラフルオロエチレンの布地を多層に重ねた空気フィルターであり、マスクから粒子を除去する効果も備えています。
微生物除去能力の向上
フィルターは物質を捕捉しますが、細菌、ウイルス、真菌などの微生物はフィルター表面に付着します。そのため、抗菌性を持つ空気フィルターが必要です。現在までに、殺菌特性を持たせるためにさまざまな抗菌剤が検討されてきました。これには、天然物、金属ナノ粒子、金属有機構造体（MOF）、グラフェンなどが含まれます。
特定の天然抽出物は、含まれるフラボノイドにより高い抗菌活性を示します。ティーツリーオイル、オリーブ抽出物、グレープフルーツ種子、クララ（Sophora flavescens）などの天然物は、繊維状高分子フィルターの表面に噴霧され、優れた抗菌活性を提供します。
金属材料の新たな応用
金属ナノ粒子は、広範囲にわたる抗菌活性を示します。その殺菌メカニズムは以下の通りです。
1. 正に帯電したナノ粒子が、負に帯電した細菌の細胞壁に静電的に引き寄せられ、細胞壁の破壊と透過性の増大を引き起こす。
2. 金属イオンが活性酸素種（ROS）の生成を誘発して細胞を損傷させ、酸化ストレスを引き起こす。これにより細胞機能が阻害され、最終的に細胞が死滅する。
銀ナノ粒子は抗菌特性を持つため、マスクの有効性を高める目的で頻繁に使用され、病気の蔓延防止に役立てられています。
銅および酸化銅は、いずれも強力な殺菌特性を持ち、抗菌・抗ウイルス特性を備えた繊維製品などに組み込まれています。銅ナノ粒子の主な作用機序は、酸化過程におけるROSの生成です。
グラフェンとその誘導体は、その大きな表面積を活かして抗菌活性を高めることができるため、広く研究されています。最近の研究では、グラフェンでコーティングされた表面を利用して表面温度を上昇させ、微生物を不活性化できることが報告されました。太陽光を照射すると局所的に急速な加熱が発生し、空気中の細菌の90%以上が急速に死滅します。これにより、自己滅菌が可能な再利用型グラフェンマスクの提供が可能になります。
新しい浄化方法
光触媒酸化による空気浄化とは、光触媒が光を受けて反応し、有機汚染物質を酸化させるプロセスです。太陽光や人工光を利用して、さまざまな大気汚染物質を無害な物質へと分解します。
酸化チタン（TiO2）や酸化亜鉛（ZnO）のナノ粒子を用いたマスクは、高いろ過性能を発揮します。ZnOナノ粒子でコーティングされたポリエステル製マスクは、表面の細菌を98%減少させることが確認されています。
多機能型エアフィルターは、粒子と微生物を同時に除去できるため、その有効性が証明されています。近年では、Ag/ZnOナノロッドで被覆されたPTFEナノファイバー膜が開発され、大腸菌（E.coli）に対して優れた抗菌活性を示しています。
カーボンナノチューブと銀ナノ粒子を用いた別のエアフィルターでは、カーボンナノチューブがフィルターの細孔を埋める構造になっています。比表面積の大きいカーボンナノチューブに銀ナノ粒子を担持させることで、抗菌効率が向上します。
金属有機構造体（MOF）フィルター
金属有機構造体（MOF）は、多座有機配位子と金属イオンが配位結合した多孔質の結晶材料です。高い気孔率と細孔径の調整が可能なため、優れたフィルター素材となります。
例えば、ゼオライトイミダゾレート骨格-8（ZIF-8）ナノ結晶をエレクトロスピニング法によるポリイミド膜に組み込むことで、フィルターのろ過効率が大幅に向上しました。MOFベースのフィルターは、プラスチックメッシュや不織布など、さまざまな基材上に作製可能です。これらのフィルターは粒子の除去に高い効果を発揮します。
今後の展望
マスクは、オミクロン株のBA.5やBA.2.75といった呼吸器系ウイルスの感染拡大を抑制する有効な手段です。マスクのろ過性能や微生物除去技術における新たな進歩は、将来的な感染拡大や変異株への対策として極めて重要になります。
BA.5などの新型コロナウイルス変異株に関する詳細や、ワクチン、治療薬、マスクを組み合わせた包括的なアプローチによって持続的な免疫を獲得する方法について学びましょう。
