Nanotech antimicrobiële maskers filteren 99,9% van de bacteriën, virussen en waasdeeltjes

Materiaalwetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) hebben een herbruikbaar “nanotech-masker” ontwikkeld dat 99,9 procent van de bacteriën, virussen en fijnstof (PM) kan filteren en bacteriën kan doden.

De nieuwe antimicrobiële coating doodt bacteriën binnen 45 seconden en is minimaal 144 uur (zes dagen) werkzaam.

De filtratie-efficiëntie overtreft die van N95-maskers (95 procent filtratie van PM0.3) en kan meer dan 10 keer worden gewassen en hergebruikt.

Half mei verscherpte Singapore zijn COVID-19-maatregelen omdat het land te maken had met een toename van het aantal infecties, en de bevolking werd geadviseerd gezichtsmaskers met een hoog filtratievermogen te gebruiken om de verspreiding van het coronavirus tegen te gaan.

Het made-in-NTU-masker bestaat uit twee belangrijke componenten: een antimicrobiële coating gemaakt van koperen nanodeeltjes, ontwikkeld en gepatenteerd door professor Lam Yeng Ming, gecoat op een stoffen masker uitgevonden door universitair hoofddocent Liu Zheng, dat een unieke diëlektrische eigenschap heeft die alle nanodeeltjes aantrekt en ziektekiemen.

Prof Lam, die ook voorzitter is van NTU’s School of Materials Science and Engineering, zei dat hun maskerprototype de twee meest gewenste eigenschappen die nodig zijn om COVID-19 te bestrijden, in één filter combineert.

“Tijdens experimenten heeft onze coating van koperen nanodeeltjes een extreem snelle en aanhoudende antibacteriële activiteit, met een dodelijke efficiëntie tot 99,9 procent wanneer het in contact komt met multiresistente bacteriën. Deze coating helpt de verspreiding van bacteriën te verminderen omdat het microben doodt in druppeltjes die worden opgevangen door de maskervezels, die een uitstekende filtratie-efficiëntie bieden. Dit zou gebruikers een dubbele beschermingslaag moeten geven in vergelijking met conventionele chirurgische maskers”, legt prof. Lam uit.

Experimenten met de antibacteriële effectiviteit van het masker werden uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van de National University of Singapore (NUS). Ze simuleerden levensechte omstandigheden door multiresistente bacteriën in druppelvorm op stoffen oppervlakken te introduceren en merkten op dat bijna alle bacteriën na 45 seconden dood waren.

De reden voor de effectiviteit van de antimicrobiële coating was tweeledig: de eerste is de extreem kleine omvang van de nanodeeltjes, die ongeveer 1000 keer kleiner zijn dan de breedte van een mensenhaar. Gezamenlijk bieden miljoenen nanodeeltjes een enorm oppervlak voor de virussen en bacteriën om in contact te komen, vergeleken met grotere deeltjes.

De tweede is het hoge niveau van oxidatieve schade veroorzaakt door het koperoxidemateriaal. Koperoxide induceert de vorming van reactieve zuurstofsoorten, wat resulteert in DNA-beschadiging van belangrijke celstructuren in de bacteriën, zoals het celmembraan, waardoor het ernstig wordt beschadigd en de bacteriën sterven.

Om het aanbrengen gemakkelijk te maken, is de antimicrobiële nanodeeltjesoplossing ontworpen om te worden gespraycoat op alle zachte en harde oppervlakken.

Verschillende peer-reviewed studies hebben aangetoond dat koperoxide effectief is in het doden van virussen, zoals de recente studie gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces door The University of Hong Kong en Virginia Tech, waar deurklinken werden gecoat met een laag koperoxide materiaal.

Het NTU-team testte hun nanodeeltjescoating in zware omstandigheden gedurende 120 wascycli (in aanwezigheid van zeep of de actieve componenten ervan bij 45 °C) en ontdekte dat er bijna geen koperverlies was, wat zeer weinig risico op toxiciteit voor mensen met zich meebrengt.

De nanodeeltjes zijn ook gebonden aan de vezels in het masker, zodat er geen contact is met de menselijke huid wanneer het masker wordt gedragen.

Superieure opvangmogelijkheden van het masker

Het doden van virussen en bacteriën zou alleen werken als het masker in staat is om ze te vangen en te voorkomen dat ze er doorheen gaan. Hier kwam de doorbraak van Assoc Prof Liu goed van pas.

Vorig jaar ontwikkelde zijn team een ​​manier om diëlektrische materialen te integreren in plastic vezels tijdens het fabricageproces van een ongeweven stoffen filter gemaakt van polypropyleen (PP), dat vaak wordt gebruikt in chirurgische wegwerpmaskers die door ziekenhuizen worden gebruikt. Dit gebeurde in samenwerking met Prof Guan Li van de Renmin University of China.

De diëlektrische materialen hebben uitstekende elektrostatische eigenschappen, die deeltjes met een negatieve of positieve lading kunnen aantrekken en eraan kunnen binden, vergelijkbaar met hoe magneten metaaldeeltjes aantrekken.

Het masker is gemaakt van vezels met een diameter van 200 tot 300 nanometer en heeft een groter oppervlak dat de ademweerstand verlaagt, waardoor de drager gemakkelijker kan ademen in vergelijking met conventionele N95-ademhalingstoestellen, die dichter zijn.

In tests had het diëlektrische composietweefsel van de volgende generatie een 50 procent hogere filtratie-efficiëntie dan pure PP-maskers, die gewoonlijk worden beoordeeld op 95 procent BFE (Bacterial Filtration Efficiency).

Assoc Prof Liu zei: “Met ons nieuwe composietfilter kunnen we tot 99,9 procent BFE bereiken, waarbij bijna alle microben en deeltjes uit rook of nevel worden gevangen. De filtratie-efficiëntie overtreft een N95-masker, maar stelt de drager in staat veel gemakkelijker te ademen.

“Belangrijker is dat het gemakkelijk in massa kan worden geproduceerd met behulp van het huidige productieproces. Het is ook meer dan 10 keer wasbaar voordat het de filtratie-efficiëntie verliest, waardoor het duurzamer is dan de huidige wegwerpmaskers voor eenmalig gebruik.”

In experimenten was het masker in staat een breed scala aan deeltjes aan te trekken en vast te houden: van PM10 (gemiddelde deeltjesgrootte van 10 micron) tot PM0,3 (0,3 micron – ongeveer 0,3 procent van de diameter van een mensenhaar) met een filtratie-efficiëntie van 99,9 procent.

De antimicrobiële coating heeft een patent ingediend via NTU’s ondernemings- en innovatiebedrijf, NTUitive, en het team van Prof Lam werkt al samen met een lokaal bedrijf om het op hun producten te coaten.

Het diëlektrische composietmateriaal van Assoc Prof Liu wordt nu gebruikt door een overzeese fabrikant om N95-maskers te maken die net zo gemakkelijk te ademen zijn als chirurgische wegwerpmaskers en die in de handel verkrijgbaar zijn.

Het team is nu op zoek naar samenwerking met lokale industriële partners die de productie van hun 2-in-1-masker graag willen licentiëren en opschalen en momenteel wetenschappelijke artikelen voorbereiden voor indiening in wetenschappelijke tijdschriften.

NTU-wetenschappers hebben gewerkt aan het ontwikkelen van oplossingen in de wereldwijde strijd tegen COVID-19.

Deze omvatten innovaties zoals autonome desinfectierobots, COVID-19-sneltestkits en een blaasapparaat, een slim masker, antimicrobiële coatings, evenals fundamenteel onderzoek naar het coronavirus om nieuwe medicijndoelen te vinden voor behandeling en vaccinontwikkeling.

Gezondheidszorg is een van de grote uitdagingen van de mensheid die NTU wil aanpakken in het kader van het strategische plan NTU 2025.