Исследователи из Курчатовского института, МИФИ и Института электрофизики и электроэнергетики РАН проанализировали ряд статей, посвященных защите органов дыхания от вируса SARS-CoV-2 с помощью масок и респираторов. Также ученые обсудили перспективные технологии, применение которых позволит облегчить дыхание в респираторе, и предложили принципиально новый подход: использование фильтров из ориентированных заряженных волокон.
В сентябре 2021 года Россия, как и весь мир, столкнулась с четвертой волной эпидемии SARS-CoV-2. Вариант «дельта» оказался крайне агрессивным: оперативный штаб по борьбе с коронавирусом почти ежедневно отчитывается об антирекордах по количеству заболевших и умерших. Более того, ученые высказывают опасение, что в этом сезоне мы можем столкнуться с двойной опасностью: на пандемию может наложиться сезонная эпидемия гриппа. Поскольку оба вируса распространяются преимущественно воздушно-капельным путем, проблема защиты органов дыхания сегодня актуальна как никогда.
Когда человек дышит, разговаривает, кашляет или чихает, в воздух попадают микрокапли слюны и слизи, возможно, содержащие патоген. Получившийся аэрозоль состоит из частиц в широком диапазоне размеров: от десятков нано- до десятков микрометров. Самые крупные (более 100 мкм) быстро осаждаются на поверхностях, пролетая не больше метра. Те, что помельче, парят в воздухе, легко разносятся воздушными потоками, и уже через 5–10 минут их можно обнаружить во всем объеме закрытого помещения. Наибольшую опасность представляют мелкие объекты размером несколько сотен нанометров, которые проникают в альвеолярные отделы легких, — более крупные задерживаются ресничками в дыхательных путях. Ученые подсчитали, что не более десятка таких частиц уже могут содержать минимальную инфицирующую дозу вируса[*].
Рис. 1. Траектории частиц, высвобожденных при кашле [Bourouiba L., Dehandschoewercker E., Bush J. W. M. // J. Fluid Mech. 2014. V. 745. P. 537]
Защитные маски прилегают к лицу недостаточно плотно, и в первую очередь предназначены для защиты органов дыхания от крупных капель, возникающих при кашле или чихании. С их помощью можно защитить окружающих, если вы болеете. При этом медицинские маски, согласно проведенным исследованиям, оказались в три раза эффективнее самодельных трехслойных из хлопковой ткани. Для собственной защиты гораздо эффективнее использовать респиратор класса защиты FFP2. Такие респираторы способны снизить концентрацию частиц во вдыхаемом воздухе по меньшей мере на 94 %. Поскольку эффективность фильтрации сильно зависит от плотности прилегания к лицу, в будущем для их производства предлагают использовать индивидуальную 3D-печать. С помощью смартфона пользователь может сделать сканы лица, по которым потом будет печататься каркас маски. В качестве фильтрующих элементов можно использовать обычные сменные фильтры для респираторов уровня защиты FFP2/3.
«Если мы будем заботиться друг о друге, использовать хотя бы маски, а лучше — респираторы в общественных местах, то сможем спасти много жизней и остановить пандемию, — призывает начальник отдела нанобиоматериалов и структур Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий Ксения Луканина. — Тем более что многие научные коллективы сейчас работают над тем, чтобы сделать средства защиты органов дыхания эффективнее и удобнее».
У респираторов есть две основные проблемы, решить которые одновременно очень трудно. Во-первых, в них ощутимо затруднено дыхание, поэтому выполнять работу, связанную с физическими нагрузками крайне тяжело. Многие модели респираторов оснащены клапаном, чтобы снизить сопротивление на выдохе, а заодно обеспечить больший комфорт, так как лучше отводится тепло и влага. Но при этом выдыхаемый воздух не фильтруется, и окружающие защищены не будут. Во-вторых, для каждого фильтрующего материала есть такая характеристика, как наиболее проникающий размер частиц, при котором его эффективность резко снижается, и зачастую он перекрывается с характерными размерами частиц в аэрозоле. Увеличить эффективность фильтров, можно, например, использовав пористые волокна. Они замедлят скорость воздушного потока, что повысит вероятность захвата частиц (рис. 2). Схожий эффект дает использование волокон, покрытых «усиками» нанометрового размерного диапазона (рис. 3) или материала, состоящего из смеси волокон, отличающихся диаметрами в десятки раз (рис. 4). Однако дышать при этом станет труднее, поскольку воздух через фильтр будет проходить медленнее.
Рис. 2. Примеры пористых волокон
Рис. 3. Электронные микрофотографии углеродных нанотрубок на полиакрилонитрильных волокнах
Рис. 4. Материал, состоящий из смеси волокон нитроцеллюлозы разных диаметров.
Многообещающе выглядит применение в качестве материала для фильтра многослойных полимерных материалов. Конструкция из четырех слоев с толщиной волокон обеспечила эффективную фильтрацию частиц в диапазоне 50–500 нм, наиболее интересном с точки зрения защиты от вируса. Также исследователи предлагали улучшить свойства фильтров за счет введения наполнителя с антибактериальными свойствами, например серебра. Эти вещества не влияют на заражение вирусами, но предотвратят размножение бактерий, для которых теплая и влажная среда благоприятна.
«Задача создания комфортного и высокоэффективного средства защиты органов дыхания, адаптированного к конкретному человеку, является сегодня крайне актуальной, — замечает Александр Будыка, доктор физико-математических наук, профессор, учёный секретарь государственной корпорации "Росатом". — Классическим методом получения необходимых для этого волокнистых фильтрующих материалов является электроформование (electrospinning). Современные подходы к этому методу позволяют получать полимерные волокна заданных размеров (от нескольких десятков нм до нескольких мкм), совмещать волокна разных диаметров в одном материале, а также контролировать их укладку. В итоге становится возможным создание разнообразных волокнистых структур — от хаотических до системы параллельных волокон, что дает нам новые возможности».
Так, например, с помощью предложенной ранее учеными из Курчатовского института модификации электроформования возможно не только задать направление укладки волокон, но и при необходимости сменить его. Если расположить проводящие полимерные волокна крест-накрест, получившаяся тонкая сетка не будет затруднять дыхание, а эффективно улавливать частицы поможет разность потенциалов на волокнах. Формировать заряд можно будет с помощью компактного источника питания — небольшой батарейки, закрепленной на маске.
[*] Минимальная инфицирующая доза — число вирусов в организме, достаточное для развития заболевания. Для SARS-CoV-2 оно варьируется от 500 до 3000 вирусных единиц: при таком количестве «заболевают» 50 % клеток в чашке Петри.
