Le mascherine di cotone sono efficaci quanto le mascherine N95 nella prevenzione dei virus (consigli fai da te, per favore, conservateli)

Indossare una mascherina di cotone fatta in casa può non solo prevenire efficacemente i virus, ma anche salvaguardare l'ambiente.

Scritto da | Xiao-ye

L'emisfero settentrionale sta per entrare nella stagione più calda del 2021 e le nuove, imprevedibili varianti del coronavirus continuano a minacciare il mondo umano. Dobbiamo continuare a rispettare la "protezione in tre fasi": indossare la mascherina, mantenere la distanza sociale e prestare attenzione all'igiene personale.

Nel Paese, indossare la mascherina è diventata un'abitudine quotidiana per la maggior parte delle persone. Esistono molti tipi di mascherine sul mercato e la fornitura è sufficiente, tra cui mascherine protettive monouso, mascherine anti-smog N90, mascherine N95, mascherine lavabili e riutilizzabili, ecc. Ma all'inizio dell'epidemia, c'è stato un periodo in cui c'era una carenza globale di mascherine. All'epoca, un gruppo di scienziati capì come realizzare le proprie mascherine e trovò anche il tessuto migliore in grado di bloccare efficacemente le particelle del coronavirus.

La pandemia di COVID-19 ha costretto molte persone a lavorare da casa, e gli scienziati non fanno eccezione. Edward Vicenzi è uno scienziato ricercatore presso lo Smithsonian Museum Conservation Institute (MCI) negli Stati Uniti. Prima dell'epidemia, il suo lavoro principale era quello di utilizzare varie apparecchiature di precisione per esaminare rari reperti e reliquie antiche. Jamie Weaver, chimico del National Institute of Standards and Technology (NIST), studia la chimica della vetreria della Svezia pre-vichinga.

Entrambi gli scienziati sono esperti nella ricerca sui materiali. All'inizio dell'epidemia, formarono un team con altri due scienziati specializzati negli aerosol atmosferici terrestri, James Radney e Chris Zangmeister, che lavoravano anche loro al NIST. Hanno risposto all'appello del mondo accademico e dei dipartimenti sanitari, hanno utilizzato le loro conoscenze e competenze professionali, hanno realizzato mascherine fai da te e hanno studiato tessuti per mascherine in grado di resistere efficacemente alle particelle virali.

Nel 2020, i Centri per il controllo e la prevenzione delle malattie (CDC) degli Stati Uniti hanno illustrato e insegnato sul loro sito web ufficiale tre metodi per realizzare semplici mascherine in stoffa. Per aumentare l'effetto protettivo, si consiglia inoltre di indossare una mascherina chirurgica monouso all'interno della mascherina fatta in casa.

I passaggi per realizzare le mascherine sono stati pubblicati in un articolo sul sito ufficiale del CDC statunitense. Tuttavia, ognuno ha capacità manuali diverse e gli effetti delle maschere fai da te variano. Successivamente, sul mercato è stata disponibile una fornitura adeguata di mascherine. Ora il CDC non consiglia più di realizzare le mascherine in casa e ha cancellato la pagina dedicata alle mascherine fai da te.

Weaver utilizza il metodo mostrato nella figura sopra. Per cucirli insieme dovrai usare una macchina da cucire, ma il procedimento è piuttosto semplice:

1. Tagliare due pezzi rettangolari di stoffa di cotone (vanno bene anche lenzuola o vecchie magliette), lunghi circa 25 cm e larghi 15 cm;

2. Impilateli insieme, piegate verso l'interno i lati superiore, inferiore, sinistro e destro, quindi cuciteli insieme con una macchina da cucire;

3. Quindi, prendi due lunghi elastici, passali attraverso i due lati corti della maschera e fai un nodo, quindi inserisci il nodo nella cucitura laterale;

4. Dopo aver regolato la posizione della maschera e dell'elastico, adattare la maschera al viso e fissarne la forma;

5. Infine, cucire saldamente l'elastico alla cucitura laterale per evitare che scivoli. In questo modo si realizza una semplice mascherina in stoffa.

Nella realizzazione delle maschere fatte in casa, il background familiare di Weaver ha avuto un ruolo importante. Il suo cognome, Weaver, significa "tessitrice". Infatti, cinque generazioni della mia famiglia erano abili sarte e collezionavano tessuti di ogni genere. Questa volta, Jamie stesso ha utilizzato la macchina da cucire usata dalla nonna per realizzare delle mascherine con tessuti diversi, provenienti da collezioni di casa e da tessuti trovati nei negozi di artigianato. Per aumentare la sicurezza, Weaver ha cucito tre strati di tessuto e ha anche realizzato una toppa vicino al naso per evitare che la maschera aderisse male.

I quattro scienziati nella foto che indossano mascherine fai da te sono stati i primi a pubblicare sulla rivista una ricerca sui materiali per le mascherine. Da sinistra a destra: Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi e Christopher Zangmeister | Fonte: NIST

Il processo di produzione delle mascherine in tessuto è semplice, ma non è facile trovare tessuti per mascherine con un effetto protettivo eccellente. Questo è anche il fulcro della ricerca del team composto da quattro membri. Hanno letto molti articoli relativi alle mascherine durante la pandemia influenzale del 1918. Fu infatti lo scoppio della pandemia influenzale del 1918 a far sì che le mascherine passassero dall'essere semplici strumenti chirurgici alla vita del grande pubblico.

Un documento del 1919 descriveva le maschere mediche fatte in casa indossate dal personale medico all'epoca e come realizzarle, e il metodo fornito dal CDC è simile. Fonte: George H. Weaver, Droplet Infection and its Prevention by the Face Mask, The Journal of Infectious Diseases, Volume 24, Numero 3, marzo 1919, Pagine 218–230,
https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

Gli ordini di restare a casa hanno tenuto Vicenzi e Weaver lontani dalle attrezzature avanzate del laboratorio. Tuttavia, poiché le mascherine fai da te non rappresentano per loro un problema, naturalmente anche i laboratori fai da te non rappresentano un problema. Hanno acquistato un lotto di microscopi semplici da Walmart per meno di 30 dollari l'uno. Vicenzi ha trovato su Internet anche un microscopio ad alta risoluzione, in grado di osservare chiaramente le caratteristiche dettagliate delle fibre dei tessuti con una precisione fino a 2 μm. Successivamente, negli articoli pubblicati dal team, Vicenzi creò numerose immagini microscopiche ad alta definizione e di grande qualità delle strutture delle fibre. Vicenzi ha anche trasformato un refrigeratore per la birra in un semplice umidificatore, fissando il tessuto con del nastro adesivo. Tutta questa semplice attrezzatura sperimentale aiuta i due scienziati a osservare e testare le proprietà di vari campioni di tessuto: porosità, densità dei fili del tessuto, spessore e composizione dei fili del tessuto, ecc., rivelando così come il tessuto resiste alle minuscole particelle di virus.

Vicnezi ha iniziato a costruire un laboratorio domestico nell'aprile dell'anno scorso. Fonte: Ed Vicnezi

Rispetto a loro, Radney e Zangmeister furono molto più fortunati. Hanno ottenuto un permesso speciale per lavorare in laboratorio durante l'epidemia. Durante quel periodo, i due uomini viaggiarono avanti e indietro tra le case di Weaver e Vicenzi, portando pacchi di campioni di tessuto agli scienziati domestici. Nel laboratorio dell'unità, hanno utilizzato cloruro di sodio per simulare il nuovo coronavirus e hanno utilizzato uno "spruzzino magico" per lanciare piccole particelle o aerosol di diverse dimensioni, con diametri che vanno da 50 nanometri a 825 nanometri. Hanno osservato come queste particelle penetravano nel tessuto nella provetta chiusa e hanno misurato il rapporto tra il numero di particelle su entrambi i lati del tessuto per determinare l'effetto filtrante di ciascun tipo di tessuto.

Nel giugno 2020, i risultati del team di quattro membri sono stati rapidamente pubblicati sulla rivista ACS Nano [1], suscitando molto scalpore. Secondo le statistiche, questo articolo è stato visualizzato più di 64.000 volte da quando è stato pubblicato online, diventando l'articolo principale della rivista nel 2020.

Immagini ingrandite di diversi tessuti con il miglior effetto protettivo al microscopio: A. 100% cotone, asciugamano, B1 e B2 sono le superfici esterna e interna di 100% cotone, flanella leggera, C. 100% poliestere, tessuto per indumento, D. 100% cotone, federa, E. Fibra discontinua di poliestere 100% | Fonte: ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200

Secondo lo studio, i quattro scienziati hanno selezionato 32 tipi di tessuti e ne hanno misurato l'efficienza di filtrazione, la pressione differenziale, il fattore di qualità e i parametri di costruzione. È stato inoltre confrontato con sette tipi di materiali filtranti in fibra di polipropilene utilizzati nelle mascherine chirurgiche e nelle mascherine N95. I risultati hanno dimostrato che la flanella di cotone al 100% è la soluzione migliore per proteggere dalle particelle virali, tanto quanto le mascherine N95, seguite da vicino dalle fibre sintetiche intrecciate. Se alla flanella vengono aggiunti uno o due strati filtranti, come un filtro HEPA (filtro dell'aria ad alta efficienza), un filtro per caffè o altri materiali in grado di catturare minuscole particelle di aerosol, le capacità difensive della maschera saranno ulteriormente migliorate.

Come vengono prodotte le mascherine N95? Il prototipo della mascherina N95 nasce dall'idea progettuale della coppa per la biancheria intima femminile della fashion editor americana Sara Little Turnbull nel 1958. Dopo continue modifiche, la mascherina finale è in grado di bloccare il 95% degli aerosol di dimensioni paragonabili a quelle delle particelle del nuovo coronavirus. In generale, una singola particella virale ha un diametro di circa 110 nanometri, ma secondo i dati di Zangmeister, i cluster di virus presenti nell'aria espirata dai pazienti con nuova polmonite coronarica sono avvolti da proteine ​​e sali e il loro diametro può raggiungere uno o due micron. Quando le mascherine N95 vengono prodotte industrialmente, si ricorre all'estrusione tramite soffiaggio a fusione per deformare le fibre di plastica delle mascherine N95. In questo modo, fasci di fibre di diverso spessore vengono mescolati insieme per formare forme e consistenze diverse. Questa trama mista e disordinata impedisce agli aerosol di passare attraverso la maschera.

La struttura in fibra di plastica all'interno della mascherina N95 è rovinata. Fonte: Ed Vicenzi

L'imaging strutturale del team di Vicenzi ha rivelato il meccanismo mediante il quale le mascherine in tessuto proteggono dalle particelle virali, così come le mascherine N95. Tessuti comuni come la flanella hanno una struttura interna intermedia tra l'N95 e il poliestere. Sebbene le sue fibre siano intrecciate seguendo un motivo, risultano comunque molto irregolari. Questo perché durante il processo di tessitura della flanella, fasci di fibre vengono sollevati dalla superficie, formando quella che viene chiamata "peluria". I ricercatori ipotizzano che questa superficie morbida non solo conferisca al tessuto un tocco morbido, ma gli consenta anche di catturare più particelle di aerosol, come una mascherina N95. "La flanella è l'N95 dei tessuti", ha affermato Vicenzi.

La microstruttura del tessuto di flanella, seconda solo alle mascherine N95 in termini di efficacia. Fonte: Ed Vicenzi

L’8 marzo 2021, il secondo articolo del team è stato pubblicato sulla rivista ACS Applied Nano Materials [2], rivelando ulteriormente un altro vantaggio delle mascherine di cotone: l’umidità aumenta l’efficacia protettiva delle mascherine.

Hanno simulato l'ambiente ad alta umidità in cui le persone respirano e hanno scoperto che, quando le goccioline contenenti il ​​nuovo coronavirus colpiscono, l'effetto filtrante dei tessuti idrofili (come i tessuti in puro cotone) risulta potenziato. Il principio è facile da capire: l'umidità dell'aria che espiriamo è del 100% e le mascherine di cotone assorbono l'acqua. Dopo aver assorbito l'acqua, le fibre si espandono e si ispessiscono notevolmente, riducendo ulteriormente il piccolo spazio interno e rendendo sempre più difficile il passaggio degli aerosol attraverso la maschera e l'ingresso nella cavità nasale.

Al contrario, le fibre di plastica sintetica utilizzate nelle mascherine N95 sono idrofobiche e il vapore acqueo che espiriamo si condensa sulla superficie interna della mascherina. Vicenzi ha usato un'analogia: "...come un insetto ronzante che colpisce una rete anti-mosche, rimane intrappolato saldamente non appena tocca la superficie della rete". Allo stesso modo, nell'ambiente estremamente umido all'interno di una mascherina di cotone, le particelle di aerosol diventano più grandi perché assorbono acqua e alla fine restano intrappolate in uno spazio ristretto.

Simulazione degli effetti di filtrazione e protezione di una mascherina di cotone rispetto a materiali asciutti e bagnati. Si può osservare che le particelle di aerosol che attraversano il tessuto asciutto (Figura a) sono più numerose delle particelle che attraversano il tessuto bagnato (Figura b) | Fonte: L'idratazione delle maschere facciali in tessuto idrofilo migliora la filtrazione delle nanoparticelle

Tuttavia, questo non significa che è necessario immergere la mascherina in acqua prima di indossarla, ma che se si continua a indossare una mascherina di cotone, lo strato filtrante umido all'interno della mascherina migliorerà l'effetto di protezione dal virus nel tempo.

Come tutti sappiamo, all'inizio della pandemia di COVID-19, la questione se sia necessario indossare le mascherine ha suscitato ampie polemiche in tutto il mondo. La ricerca del team di Vicenzi ha svelato il meccanismo strutturale con cui le mascherine bloccano le particelle del virus, dimostrando che l'approccio della Cina è corretto: durante l'epidemia, tutti dovrebbero indossare le mascherine per proteggere la propria salute e quella degli altri.

Uno studio recente pubblicato sulla rivista Science[3] ha anche dimostrato teoricamente che indossare una mascherina nella vita quotidiana può ridurre la diffusione del nuovo coronavirus. Negli ambienti pubblici non possiamo evitare di respirare l'aria espirata dagli altri, soprattutto negli ospedali dove la concentrazione del virus è più alta. Anche le mascherine mediche più efficaci non possono fornire una protezione adeguata se non indossiamo indumenti protettivi e non manteniamo la ventilazione. Tuttavia, nell'ambiente in cui vivono le persone comuni, la concentrazione del nuovo coronavirus negli aerosol espirati dalle persone non è elevata, il che rientra nel regime di limitazione del virus. Finché tutti indossano una mascherina, anche la più semplice mascherina chirurgica monouso, è possibile ridurre efficacemente il possibile contatto con il virus, filtrando meglio anche i virus residui e riducendo ulteriormente il tasso di infezione. In sintesi, per ottenere la migliore protezione, sia i pazienti sia le persone sane devono indossare le mascherine, mantenendo al contempo una buona ventilazione e la distanza sociale.

In un ambiente con virus limitato, ovvero l'ambiente in cui vive la gente comune, la differenza tra indossare una mascherina e non indossarla è che i punti rossi rappresentano particelle di aerosol contenenti il ​​nuovo coronavirus, mentre i punti verdi rappresentano particelle di aerosol che non contengono il virus. Fonte: Tinu CA da www.freeicons.io, distribuito con licenza CC-BY 3.0.

La lotta globale contro l'epidemia è un'attività sistematica estremamente complessa. Anche un piccolo cambiamento nel comportamento umano può modificare notevolmente la traiettoria e l'effetto della trasmissione del virus. L'epidemia non è ancora finita e il nuovo coronavirus in continua mutazione potrebbe presentarci nuove minacce in qualsiasi momento. Quando la calda estate sta per finire, potremmo anche realizzare delle mascherine di cotone con fantasie e colori che ci piacciono, per proteggere noi stessi e l'ambiente. Dopotutto, sia la ricerca scientifica che la pratica quotidiana hanno dimostrato l'importanza pratica dell'uso delle mascherine, che rappresentano davvero una delle armi più potenti a disposizione della gente comune per combattere l'epidemia.

Riferimento originale: https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/using-store-bought-microscopes-and-eye-detail-heres-what-smithsonian-scientists-have-learned-about-mask-effectiveness-180977216/

Riferimenti

[1] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c05025

[2] https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.0c03319

[3] https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1439

[4] https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218