Máscaras e equipamentos de proteção individual (EPI) têm sido um tema divisivo, mas comprovadamente eficazes na redução da propagação. Agora, com o aumento exponencial das infecções pelas variantes Ômicron BA.5 e BA.2.75, o aprimoramento da tecnologia de máscaras será fundamental. A pandemia de COVID revelou deficiências no processo de desenvolvimento e produção de máscaras. No entanto, a inovação das máscaras será crucial para retardar a propagação de novas variantes do vírus.
Existem muitos fatores que podem ser aprimorados nas máscaras, mas este artigo foca na ciência emergente de melhoria da filtração e da remoção de microrganismos.
Crescimento Rápido em PI e Pesquisa
A CAS Content Collection™ mostra que pesquisadores de todo o mundo estão focados em como tornar as coberturas faciais mais eficazes. Mais de 17.000 documentos foram publicados sobre máscaras faciais, sendo mais da metade nos últimos dois anos (Figura 1). É notável o aumento distinto nos pedidos de patentes, com a China, os EUA e o Japão sendo os países líderes (Tabela 1).
Tabela 1. Distribuição de patentes relacionadas ao desenvolvimento de máscaras faciais entre os países dos principais requerentes
O que as máscaras estão bloqueando?
Gotículas respiratórias são os principais veículos de transmissão para a propagação do SARS-CoV-2, e aquelas menores que <5μm são geralmente categorizadas como aerossóis. A exalação direta de partículas de aerossol e gotículas de pacientes infectados é o modo predominante de transmissão do SARS-CoV-2. Os aerossóis permanecem suspensos no ar e desempenham um papel fundamental na propagação da infecção. Isso ressalta a importância de limitar a propagação de aerossóis, por isso as máscaras faciais foram identificadas como uma ferramenta importante no controle da pandemia.
Como as máscaras funcionam hoje
A máscara facial mínima pode incluir apenas duas camadas de tecidos domésticos e ainda é mais eficaz do que não usar nenhuma. A eficiência de filtração para partículas < 300nm e >300nm pode ser melhorada usando diferentes tecidos. Isso ocorre devido ao efeito sinérgico da filtração mecânica do algodão e da filtração eletrostática da outra camada composta por materiais como seda (Figura 2A).
A máscara cirúrgica de três camadas mais usada na pandemia de COVID-19 é composta por três camadas de tecidos não tecidos (Figura 2B). As três camadas de uma máscara facial trabalham juntas para proteger o usuário de partículas nocivas transportadas pelo ar. A camada externa é impermeável, a camada intermediária filtra patógenos e a camada interna retém gotículas respiratórias. Tecidos não tecidos são baratos e fáceis de fabricar, o que os torna facilmente acessíveis ao público.
Novos avanços para melhorar as máscaras
Novos materiais poliméricos, certos poliestirenos e policarbonatos permitiram melhorias nas máscaras em duas áreas:
1. Filtros melhores: desenvolvimento de materiais para reduzir o tamanho dos poros, a fim de capturar e filtrar pequenas partículas e patógenos
2. Melhor remoção de microrganismos: aumento das propriedades antimicrobianas por meio da aplicação de revestimentos e propriedades autolimpantes
Melhorando a filtração
A eficácia das máscaras com filtro de ar é determinada pelo diâmetro da fibra, espessura da membrana e permeabilidade ao ar. Os filtros de material particulado atuais são feitos de fibras poliméricas ou fibra de vidro, que retêm partículas de vários tamanhos. Recentemente, foram desenvolvidos novos tipos de filtros de membrana menores que possuem uma área de superfície maior. Esses filtros são mais eficientes na captura de partículas e na redução da resistência ao ar.
Membranas de nanofibras poliméricas
A diminuição do diâmetro da fibra para a nanoescala leva a uma maior área de superfície e melhor remoção de partículas. A eletrofiação é usada para fabricar membranas de nanofibras com boa transparência, alta eficiência e baixo peso. Vários tipos de membranas de nanofibras eletrofiadas foram criados a partir de diferentes materiais. Essas membranas possuem propriedades de superfície distintas e podem ser usadas em máscaras de filtragem de ar.
Membranas de eletreto
Devido às maiores distâncias de atração, os filtros de ar eletrostáticos são mais eficazes na retenção de partículas do que as membranas passivas. Três técnicas de carregamento: carregamento in situ, carregamento corona e tribocarregamento podem ser usadas para fabricar membranas de eletreto. Nanopartículas (como politetrafluoretileno, nitreto de silício, estearato de magnésio, etc.) são geralmente empregadas como intensificadores de carga. Vários filtros de eletreto híbridos foram desenvolvidos por meio da tecnologia de carregamento in situ da eletrofiação. Por exemplo, uma membrana de polietileno/polipropileno eletrofiada contendo estearato de magnésio exibiu um potencial de superfície de 4,78 kV e alta eficiência de filtração de 98,94%.
Um nanogerador triboelétrico foi inventado para a remoção eficaz de partículas por filtros de ar de nanofibras. O nanogerador triboelétrico produz energia a partir de movimentos mecânicos, como o movimento humano, e é adequado para uso em dispositivos vestíveis autossustentáveis.
Uma máscara facial de adsorção eletrostática autossustentável equipada com um nanogerador triboelétrico exibiu uma eficiência de remoção de partículas altamente aprimorada. Este é outro filtro de ar feito de múltiplas camadas de tecidos de nylon e politetrafluoretileno. Ele também é eficaz na remoção de partículas da máscara.
Melhorando a remoção de microrganismos
Embora os filtros capturem matéria, microrganismos como bactérias, vírus e fungos aderem à superfície do filtro. Portanto, são necessários filtros de ar com propriedades antimicrobianas. Até o momento, uma variedade de agentes antimicrobianos foi examinada para criar propriedades biocidas. Esses agentes incluem produtos naturais, nanopartículas metálicas, estruturas metal-orgânicas (MOFs), grafeno e muito mais.
Certos extratos naturais exibem alta atividade antimicrobiana devido aos flavonoides que contêm. Produtos naturais como óleos de melaleuca, extratos de oliva, semente de toranja e Sophora flavescens foram pulverizados nas superfícies de filtros poliméricos fibrosos, proporcionando boa atividade antimicrobiana.
Novas aplicações metálicas
Nanopartículas metálicas exibem um amplo espectro de atividades antibacterianas. Seu mecanismo de ação bactericida inclui:
1. Atração eletrostática das nanopartículas carregadas positivamente pelas paredes celulares bacterianas carregadas negativamente, levando à ruptura da parede celular e maior permeabilidade.
2. Íons metálicos podem danificar as células ao causar a produção de espécies reativas de oxigênio (ROS), o que leva ao estresse oxidativo. Isso interrompe as funções celulares e, eventualmente, mata a célula.
Nanopartículas de prata possuem propriedades antimicrobianas, por isso são frequentemente usadas para tornar as máscaras mais eficazes na prevenção da propagação de doenças.
O cobre e o óxido de cobre possuem propriedades biocidas potentes e foram incorporados a tecidos e outros produtos com propriedades antimicrobianas e antivirais. O principal mecanismo de ação das nanopartículas de cobre é a produção de ROS durante a oxidação.
O grafeno e seus derivados têm sido amplamente explorados por aproveitarem sua grande área de superfície para aumentar a atividade antimicrobiana. Um estudo recente relatou que superfícies revestidas com grafeno podem ser usadas para aumentar a temperatura da superfície e desativar microrganismos. Sob irradiação solar, gera-se um aquecimento local rápido e >90% das bactérias transportadas pelo ar são rapidamente eliminadas. Dessa forma, máscaras de grafeno reutilizáveis e autosterilizantes podem ser fornecidas.
Novos métodos de purificação
A purificação de ar por oxidação fotocatalítica é um processo que envolve um catalisador ativado por luz que reage com poluentes orgânicos para oxidá-los. Ele degrada diversos poluentes do ar em formas não tóxicas usando luz solar ou artificial.
Máscaras que incluem nanopartículas de óxido de titânio (TiO2) ou óxido de zinco (ZnO) demonstraram uma filtragem eficaz. Uma máscara feita de tecido de poliéster revestido com nanopartículas de ZnO reduziu as bactérias na superfície em 98%.
Filtros de ar multifuncionais, que removem simultaneamente partículas e microrganismos, provaram ser eficazes. Recentemente, foi criada uma membrana de nanofibras de PTFE envolta em nanobastões de Ag/ZnO com uma excelente atividade antibacteriana contra a Escherichia coli (E.coli).
Outro filtro de ar foi feito de nanotubos de carbono e nanopartículas de prata, com os nanotubos preenchendo os poros do filtro. Carregar nanopartículas de prata na alta área superficial dos nanotubos de carbono aumenta sua eficiência antimicrobiana.
Filtros de Estruturas Metal-Orgânicas
Estruturas metal-orgânicas (MOFs) são materiais cristalinos porosos coordenados a ligantes orgânicos multidentados. Eles são excelentes filtros devido à sua alta porosidade e tamanho de poro ajustável.
Por exemplo, a incorporação de nanocristais de estrutura zeolítica imidazolato-8 (ZIF-8) em membranas de poliimida eletrofiadas aumentou significativamente a eficiência de filtragem dos filtros. Filtros baseados em MOF podem ser feitos em vários substratos, como malha plástica ou tecido não tecido. Esses filtros funcionam bem para a remoção de partículas.
Perspectivas Futuras
As máscaras são uma forma eficaz de retardar a propagação de vírus respiratórios como as variantes Omicron BA.5 e BA.2.75. As novas tecnologias e avanços na filtragem de máscaras e na remoção de microrganismos serão fundamentais para retardar futuras disseminações e variantes.
Saiba mais sobre variantes da COVID-19 como a BA.5 e como uma abordagem mais abrangente com vacinas, terapias e máscaras pode nos ajudar a alcançar a imunidade sustentada.
