Scienziati dei materiali della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) ha sviluppato una "maschera nanotecnologica" riutilizzabile in grado di filtrare il 99,9 percento dei batteri, virus e particolato (PM), così come uccidere i batteri.

Il suo nuovo rivestimento antimicrobico uccide i batteri entro 45 secondi ed è efficace per almeno 144 ore (sei giorni).

La sua efficienza di filtrazione supera quella delle maschere N95 (filtrazione del 95% di PM0.3) e può essere lavata e riutilizzata più di 10 volte.

A metà maggio, Singapore ha inasprito le sue misure COVID-19 poiché il paese stava affrontando un aumento del numero di infezioni, e alla popolazione è stato consigliato di utilizzare maschere facciali con un'elevata capacità di filtrazione per aiutare a frenare la diffusione del coronavirus.

La maschera realizzata in NTU comprende due componenti chiave:un rivestimento antimicrobico costituito da nanoparticelle di rame sviluppato e brevettato dal professor Lam Yeng Ming, rivestito su una maschera in tessuto inventata dal Professore Associato Liu Zheng, che ha una proprietà dielettrica unica che attrae tutte le nanoparticelle e i germi.

Prof Lam, che è anche presidente della School of Materials Science and Engineering di NTU, ha affermato che il loro prototipo di maschera combina le due proprietà più desiderate necessarie per combattere COVID-19, in un unico filtro.

"Negli esperimenti, il nostro rivestimento in nanoparticelle di rame ha un'attività antibatterica estremamente rapida e sostenuta, con un'efficienza di uccisione fino al 99,9 percento quando incontra batteri resistenti a più farmaci. Questo rivestimento aiuterà a ridurre la diffusione dei batteri poiché uccide i microbi nelle goccioline intrappolate dalle fibre della maschera, che forniscono un'eccellente efficienza di filtrazione. Ciò dovrebbe offrire agli utenti un doppio livello di protezione rispetto alle maschere chirurgiche convenzionali, " ha spiegato il prof Lam.

Gli esperimenti sull'efficacia antibatterica della maschera sono stati condotti in collaborazione con scienziati della National University of Singapore (NUS). Hanno simulato condizioni di vita reale introducendo batteri resistenti a più farmaci sotto forma di goccioline sulle superfici dei tessuti e hanno osservato che quasi tutti i batteri erano morti entro 45 secondi.

Il motivo dell'efficacia del rivestimento antimicrobico era duplice:il primo è la dimensione estremamente ridotta delle nanoparticelle, che sono circa 1, 000 volte più piccolo della larghezza di un capello umano. Collettivamente, milioni di nanoparticelle forniscono un'enorme superficie per il contatto di virus e batteri, rispetto alle particelle più grandi.

Il secondo è l'alto livello di danno ossidativo causato dal materiale di ossido di rame. L'ossido di rame induce la generazione di specie reattive dell'ossigeno, con conseguente danno al DNA di importanti strutture cellulari nei batteri, come la membrana cellulare, danneggiandolo gravemente e causando la morte dei batteri.

Per facilitare l'applicazione, la soluzione di nanoparticelle antimicrobiche è progettata per essere verniciata a spruzzo su tutte le superfici morbide e dure.

Vari studi sottoposti a revisione paritaria hanno dimostrato che l'ossido di rame è efficace nell'uccidere i virus, come il recente studio pubblicato su Materiali e interfacce applicati ACS dall'Università di Hong Kong e Virginia Tech, dove le maniglie delle porte erano rivestite con uno strato di materiale di ossido di rame.

Il team NTU ha testato il loro rivestimento di nanoparticelle in condizioni difficili per 120 cicli di lavaggio (in presenza di sapone o dei suoi componenti attivi a 45 gradi C) e ha scoperto che non c'era quasi nessuna perdita di rame, con un rischio minimo di tossicità per l'uomo.

Le nanoparticelle sono anche legate alle fibre all'interno della maschera, quindi non c'è contatto con la pelle umana quando si indossa la maschera.

Capacità di intrappolamento superiori della maschera

Uccidere virus e batteri funzionerebbe solo se la maschera è in grado di intrappolarli e impedirne il passaggio. È qui che la svolta di Assoc Prof Liu è tornata utile.

L'anno scorso, il suo team ha sviluppato un modo per integrare i materiali dielettrici nelle fibre di plastica durante il processo di fabbricazione di un filtro in tessuto non tessuto in polipropilene (PP), comunemente usato nelle maschere chirurgiche usa e getta utilizzate dagli ospedali. Questo è stato fatto in collaborazione con il Prof Guan Li della Renmin University of China.

I materiali dielettrici hanno eccellenti capacità elettrostatiche, che può attrarre e legarsi a particelle che possiedono una carica negativa o positiva, simile a come i magneti attirano le particelle metalliche.

Realizzato con fibre con un diametro da 200 a 300 nanometri, la maschera ha una superficie più elevata che riduce la resistenza respiratoria, rendendo più facile per chi la indossa respirare rispetto ai tradizionali respiratori N95, che sono più densi.

Nei test, il tessuto composito dielettrico di nuova generazione aveva un'efficienza di filtrazione superiore del 50% rispetto alle maschere in PP puro, che sono comunemente valutati al 95% di BFE (efficienza di filtrazione batterica).

Assoc Prof Liu ha dichiarato:"Con il nostro nuovo filtro composito, possiamo raggiungere fino al 99,9 percento di BFE, intrappolando quasi tutti i microbi e il particolato dal fumo o dalla foschia. La sua efficienza di filtrazione supera una maschera N95 ma consente a chi la indossa di respirare molto più facilmente.

"Ma ancora più importante, può essere prodotto in serie facilmente utilizzando l'attuale processo di produzione. È anche lavabile per più di 10 volte prima di perdere l'efficienza di filtrazione, rendendolo più sostenibile rispetto alle attuali maschere usa e getta".

Negli esperimenti, la maschera è stata in grado di attirare e intrappolare un'ampia gamma di particolato:da PM10 (dimensione media delle particelle di 10 micron) a PM0,3 (0,3 micron, circa lo 0,3 percento del diametro di un capello umano) con un'efficienza di filtrazione del 99,9 percento .

Il rivestimento antimicrobico ha un brevetto depositato attraverso la società di impresa e innovazione di NTU, NTUitivo, e il team del Prof Lam sta già lavorando con un'azienda locale per applicarlo sui propri prodotti.

Il materiale in tessuto composito dielettrico di Assoc Prof Liu viene ora utilizzato da un produttore estero per realizzare maschere N95 facili da respirare come le maschere chirurgiche monouso e disponibili in commercio.

Il team sta ora cercando di lavorare con partner industriali locali desiderosi di concedere in licenza e aumentare la produzione della loro maschera 2 in 1 e stanno attualmente preparando articoli scientifici da inviare a riviste scientifiche.

Gli scienziati della NTU hanno lavorato allo sviluppo di soluzioni nella lotta globale contro il COVID-19.

Questi includono innovazioni come robot di disinfezione autonomi, Kit per test rapidi COVID-19 e un dispositivo etilometro, una maschera intelligente, rivestimenti antimicrobici, così come la ricerca fondamentale sul coronavirus per trovare nuovi bersagli farmacologici per il trattamento e lo sviluppo di vaccini.

L'assistenza sanitaria è una delle grandi sfide dell'umanità che NTU cerca di affrontare nell'ambito del piano strategico NTU 2025.