Eficiencia de filtración de mascarillas médicas y comunitarias utilizando bioaerosoles virales y bacterianos.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 7115 (2023) Citar este artículo

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Las mascarillas faciales a menudo se recomiendan en entornos comunitarios para prevenir la transmisión aérea de virus o bacterias respiratorias. Nuestro primer objetivo fue desarrollar un banco experimental para evaluar la eficiencia de filtración viral (VFE) de una mascarilla con una metodología similar a la medición normativa de la eficiencia de filtración bacteriana (BFE) utilizada para determinar el rendimiento de filtración de las mascarillas médicas. Luego, utilizando tres categorías de máscaras de calidad de filtración cada vez mayor (dos tipos de máscaras comunitarias y un tipo de máscara médica), los rendimientos de filtración medidos oscilaron entre 61,4 y 98,8 % de BFE y entre 65,5 y 99,2 % de VFE. Se observó una fuerte correlación (r = 0,983) entre la eficiencia de la filtración bacteriana y viral para todos los tipos de mascarillas y para el mismo tamaño de gotas en el rango de 2 a 3 µm. Este resultado confirma la relevancia de la norma EN14189:2019 que utiliza bioaerosoles bacterianos para evaluar la filtración de la mascarilla, para también extrapolar el rendimiento de la mascarilla, cualquiera que sea su calidad de filtración, frente a los bioaerosoles virales. De hecho, parece que la eficiencia de filtración de las mascarillas (para tamaños de gotas micrométricas y tiempos bajos de exposición a bioaerosoles) depende principalmente del tamaño de la gota en el aire, más que del tamaño del agente infeccioso contenido en esa gota.

La transmisión de partículas de aerosol es una de las principales vías de transmisión de agentes infecciosos respiratorios. Se define como el paso de microorganismos patógenos (bacterias o virus) de una fuente a una persona a partir de aerosoles infecciosos liberados durante eventos espiratorios que generan aerosoles, como respirar, toser, hablar, cantar y estornudar1. Por ejemplo, un solo estornudo puede liberar hasta 40.000 partículas de aerosol2. Desde un punto de vista físico, el término “aerosol” corresponde a una mezcla heterogénea de partículas en el aire, sólidas o líquidas, suspendidas en un gas y que tienen una velocidad de sedimentación relativamente baja3 (es decir, normalmente partículas en el aire con un diámetro aerodinámico inferior a 100 µm). Sin embargo, en la literatura médica desde hace décadas se encuentra con frecuencia una distinción, que parece arbitraria (y engañosa para un científico de aerosoles), entre partículas “en el aire” de menos de 5 µm de diámetro y “gotas” de más de 5 µm de diámetro3. Esta confusión, que emana del lenguaje médico tradicional, ha creado en ocasiones distinciones terminológicas científicas infundadas entre la transmisión denominada "aerotransportada" y "por gotitas". En efecto, si las personas podemos inhalar partículas de aerosol (de tamaño variable en el espacio y en el tiempo porque son siempre fenómenos dinámicos y transitorios), constituidas principalmente por gotitas que contienen patógenos (procedentes de secreciones y excrementos corporales), siempre respiramos partículas líquidas en el aire, sea cual sea su tamaño4.

Por lo tanto, en términos físicos, la transmisión de patógenos respiratorios se realiza en ambos casos (transmisión “por aire” y “por gotitas”) mediante tamaños variables de partículas de aerosol5. En otras palabras, ya sea que la transmisión del patógeno se llame "por el aire" o "por gotitas", en todos los casos sólo puede ser por aerosol. Sin embargo, es cierto que el modo de transmisión y las medidas de control pueden variar según las características físicas de las partículas de aerosol (incluido su diámetro aerodinámico que cambia en el espacio y el tiempo). Por un lado, si un patógeno infeccioso se propaga principalmente a través de partículas de aerosoles respiratorios que se depositan rápidamente llamadas “gotas”, las principales medidas de control de la transmisión consisten en reducir el contacto directo, el distanciamiento físico o el uso de mascarillas. Por otro lado, el caso de un patógeno infeccioso cuya transmisión se denomina principalmente "aerotransportada" requiere medidas de precaución como ventilación de la habitación, filtración del aire o atención a la calidad y ajuste de la mascarilla facial siempre que se esté en interiores.

Además, es bien sabido que la prevención de la infección por patógenos transmitidos por el aire (p. ej., gripe, tuberculosis, sarampión o coronavirus) puede facilitarse mediante el uso de tapabocas3. Por ello, actualmente se recomienda el uso de mascarilla para prevenir la transmisión de enfermedades respiratorias al personal médico, a los pacientes contagiosos y, en algunos casos, a la población en general. Obviamente, cualquier mascarilla es mejor que ninguna, especialmente en términos de protección de los demás. El uso de una mascarilla retiene una proporción relativamente grande de las gotitas virales emitidas por quien la usa, proporcionando así un alto grado de protección contra la emisión de bioaerosoles. Aunque las mascarillas están diseñadas para retener principalmente partículas de aerosol de tamaño micrométrico cargadas de patógenos cuando se exhalan, es probable que también proporcionen cierto grado de autoprotección durante la inhalación (generalmente mucho menos debido a la contracción de las partículas de aerosol líquido entre la exhalación y la inhalación). A fin de cuentas, las mascarillas contribuyen significativamente a disminuir el riesgo de infección para quienes se encuentran cerca y también pueden reducir el riesgo de infección para el usuario de la mascarilla, especialmente si el patógeno se transmite a través de partículas de aerosol más grandes. Por ejemplo, el conocimiento en el siglo XIX sobre el contagio de la tuberculosis causada por el patógeno Mycobacterium tuberculosis ayudó a limitar su propagación mediante el desarrollo de la primera mascarilla que cubre la nariz y la boca6,7. Quedó bien demostrado que las mascarillas utilizadas por pacientes infectados con tuberculosis podrían reducir significativamente las tasas de transmisión a pacientes no infectados8.

Más recientemente, la pandemia mundial de coronavirus (COVID-19) ha planteado la cuestión de la transmisión de enfermedades virales respiratorias. Al inicio de la pandemia, los primeros estudios epidemiológicos y virológicos favorecían la transmisión por gotitas y superficies. Posteriormente, numerosos estudios han demostrado que la transmisión por partículas finas de aerosol que contienen partículas virales viables representa una de las principales vías de transmisión del síndrome respiratorio agudo severo por coronavirus 2 (SARS-CoV-2) en ambientes interiores mal ventilados1,9,10. Desde el principio, dado el conocimiento de las enfermedades transmitidas por el aire, los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades (CDC) y la Organización Mundial de la Salud (OMS) abogaron por el uso universal de mascarillas para reducir el riesgo de transmisión del SARS-CoV-211. Las mascarillas estaban indicadas para prevenir a otros limitando la exhalación de gotitas respiratorias potencialmente infecciosas que contienen SARS-CoV-2 a la corriente de aire, pero también para proteger al usuario en muchos casos3. La aparición de la COVID-19 ha confirmado así la eficacia de las mascarillas. De hecho, la evidencia acumulada muestra que las mascarillas faciales son una barrera fundamental, ya que reducen la cantidad de virus infecciosos en el aire exhalado, especialmente en personas asintomáticas o preasintomáticas12,13,14. Un estudio de Bagheri et al. (2021) demostraron que si una persona no infectada usa una mascarilla quirúrgica y una persona infectada habla sin mascarilla, el riesgo máximo alcanzado en este caso es del 90% después de 30 minutos para la persona no infectada. Sin embargo, si ambas personas usan mascarillas quirúrgicas, el riesgo máximo es inferior al 30% incluso después de una hora15.

Entre las diferentes categorías de mascarillas, las mascarillas médicas (MFM) son dispositivos médicos de un solo uso diseñados especialmente para evitar la diseminación de bioaerosoles del usuario al medio ambiente. Están regulados por normas específicas como la norma europea EN14683:201916 y, por lo tanto, deben cumplir requisitos de rendimiento, particularmente en términos de eficiencia de filtración bacteriana (BFE). Los MFM se clasifican en dos tipos según sus valores BFE. Máscaras tipo I (BFE ≥ 95%) y máscaras tipo II/IIR (BFE ≥ 98%). Por el contrario, las mascarillas comunitarias (CFM) o de tela vienen en varios diseños y están hechas con una gran variedad de telas y, aunque no son tan efectivas como las MFM. Los CFM no están diseñados para usarse en un ambiente que requiera un alto nivel de protección sanitaria. Numerosos estudios realizados con CFM han demostrado que diversas características de los tejidos (tipo de material, tipo de tejido (tejido o de punto), características de las fibras) pueden influir en su filtración17,18. Los CFM pueden considerarse simplemente máscaras anti-rociado y normalmente se reutilizan mediante lavado. A diferencia de los MFM que están estrictamente regulados y certificados, los CFM no están estandarizados ni estrictamente regulados. Actualmente los CFM están destinados a la población general y se dividen en dos categorías según su capacidad para filtrar partículas de un tamaño de 3 ± 0,5 μm. Según el requisito AFNOR SPEC S76-00119, los CFM de categoría 1 deben tener una eficiencia de filtración superior al 90%, mientras que los CFM de categoría 2 deben tener una eficiencia de filtración superior al 70%.

La filtración de la mascarilla se basa en diferentes mecanismos: sedimentación por gravedad, impactación inercial, interceptación, difusión y atracción electrostática20. Debido al efecto significativo de muchos factores sobre el rendimiento del filtrado de la mascarilla (y principalmente el tipo de mascarilla, CFM versus MFM, por ejemplo), aclarar el mecanismo de penetración del bioaerosol en la mascarilla tiene gran importancia. El primer y dominante mecanismo es la filtración de gotitas cargadas de patógenos directamente a través del material filtrante. Este primer paso depende principalmente del tamaño y la velocidad de la gota en el aire para un diseño de material de filtro determinado. Pero cuando las partículas de líquido aerosol contaminadas alcanzan la superficie exterior de la mascarilla, si la superficie no destruye el patógeno inicialmente contenido en ella, los microorganismos pueden penetrar la mascarilla durante la respiración a través de diversos mecanismos (incluidos los capilares)20. Este segundo paso depende principalmente del tamaño y la cantidad de patógenos acumulados en la superficie externa de la máscara si el tiempo de exposición es lo suficientemente largo para un diseño de material de filtro determinado. Por lo tanto, una mascarilla a menudo puede convertirse en un recolector de patógenos, particularmente cuando su superficie exterior está expuesta a partículas de aerosol contaminadas. Dado que los virus y bacterias pueden permanecer en la superficie de la máscara, o incluso en la estructura textil de las máscaras, es obviamente peligroso e indeseable que puedan migrar a través de la máscara una vez que se ha completado la filtración de las partículas de aerosol líquido por el material filtrante. logrado.

Por tanto, la determinación de las capacidades de penetración y propagación de los microorganismos a través de la máscara parece ser un desafío importante para evaluar la protección proporcionada por la máscara. Es fundamental analizar la filtración de bioaerosoles a través del prisma del transporte de patógenos contenidos en los vectores líquidos en el aire a través de la máscara, en lugar de detenerse únicamente en el estudio de la filtración de estas partículas de aerosol en la superficie del material filtrante. Este trabajo se realizó con el fin de estudiar, para un tamaño fijo de partículas de líquido aerosol (en el rango de diámetro aerodinámico entre 2 y 3 µm), y para diferentes calidades de máscara (una MFM, una CFM con excelentes prestaciones y una CFM con baja eficacia de filtración), el impacto del tamaño del patógeno (un virus de 100 nm o una bacteria de 1 µm) en la penetración a través de la mascarilla. En otras palabras, dado que los MFM se evalúan utilizando bioaerosoles bacterianos y no virales, este estudio nos permite estudiar si se puede realizar fácilmente una extrapolación (para un tamaño de vector aerosolizado fijo de unas pocas micras de diámetro aerodinámico) entre la eficiencia de filtración bacteriana ( BFE) y eficiencia de filtración viral (VFE).

En este estudio se probaron tres tipos de mascarillas: 2 CFM (empresa Oriol & Fontanel, CFM tipo 1, Francia; empresa CJ Textile, CFM tipo 2, Francia) y una MFM (empresa Bioserenity, tipo IIR, Francia) (Tabla 1). Las mediciones se realizaron en muestras de máscaras de un tamaño mínimo de 100 mm por 100 mm, incluidas todas las capas. De acuerdo con la norma EN14683:2019, las máscaras se preacondicionaron a 21 ± 5 °C y 85 ± 5 % de humedad relativa durante 4 h para alcanzar el equilibrio atmosférico antes de la prueba. Se realizaron experimentos con al menos cinco muestras para cada tipo de máscara con el interior de la máscara en contacto con patógenos transmitidos por el aire.

Los análisis de microscopía se realizaron utilizando un microscopio Leica DM LB con lente modelo C Plan. Las imágenes fueron tomadas con una Bresser MikroCam SP 5.0 con un aumento de 4x. Se realizó microscopía electrónica de barrido (SEM) en las superficies de las máscaras utilizando un JEOL JSM-6500F. Las muestras se montaron sobre un soporte de latón con cinta de carbono de doble cara y se recubrieron con 14 nm de oro (Quorom Q 150R ES). Las imágenes se tomaron con un voltaje de aceleración del haz de 5 keV. Para materiales no tejidos (como los fundidos por soplado de MFM), las fibras se orientan aleatoriamente. Por el contrario, los materiales tejidos y de punto (como las capas de CFM) contienen hilos (haces de fibras) que están entrelazados entre sí. Los poros se forman en los intersticios de los hilos de los tejidos y tejidos de punto, mientras que en los filtros no tejidos están formados por pequeños espacios entre fibras individuales. Los espacios entre los hilos se consideraron como los poros de las mascarillas comunitarias. Aunque la forma y el tamaño de los poros en las mascarillas comunitarias no eran uniformes, intentamos extraer información cuantitativa sobre el tamaño de los poros entre hilos midiendo la dimensión más larga de cada poro entre hilos. Estas mediciones proporcionaron una estimación del tamaño de un poro entre hilos en cada mascarilla comunitaria (Tabla 1).

La evaluación del BFE se realizó según la norma EN14683:2019 (6) mediante un procedimiento experimental previamente desarrollado y luego validado17,21,22. El banco de pruebas utilizado cumplió con las especificaciones de la norma con pequeñas adaptaciones (por ejemplo, tamaño de la cámara de aerosol) que no nos impidieron obtener una acreditación de un organismo externo que demostrara la validez de las mediciones para obtener el marcado CE. La configuración experimental se ilustra en la Fig. 1. Brevemente, se genera una corriente de aerosol que contiene una carga conocida de Staphylococcus aureus (ATCC 6538 a 106 UFC/mL antes de la dilución) utilizando un nebulizador de malla vibratoria (E-flow, PARI GmbH, Starnberg, Alemania). Luego, el bioaerosol se extrajo a través de una cámara de aerosol de vidrio (445 mm de largo y 60 mm de diámetro exterior) utilizando una bomba de vacío a un caudal constante de 28,3 L min-1. Se colocan muestras de mascarilla entre la cámara de aerosolización y un impactador en cascada Andersen de seis etapas viable (ACI, Tisch Environmental, Miami, EE. UU.). El ACI llevó a recolectar y clasificar el bioaerosol en 6 fracciones de tamaño (que van desde 7 µm para la primera etapa hasta 0,65 µm para la sexta etapa) según su inercia y, en consecuencia, su diámetro aerodinámico. En cada etapa de ACI se coloca una placa de Petri de plástico de 90 mm, que contiene medio de cultivo de agar, utilizada como placa de impacto para recolectar las bacterias en el aire para cada fracción de tamaño aerodinámico. La norma EN14683:2019 impone dos especificaciones principales para el procedimiento normativo BFE: (i) un número medio de UFC para todas las etapas ACI entre 1700 y 3000 UFC, (ii) un tamaño medio de partícula (MPS) de 3,0 ± 0,3 µm. Evidentemente, estas dos especificaciones de aerosoles (MPS y UFC total) sólo pueden ser válidas para corridas de control positivo (porque en presencia de una máscara, si la filtración es muy eficiente, es posible y frecuente que ninguna o muy pocas bacterias pasen a través del máscara y alcanzar el impactador en cascada para medir MPS y UFC totales). El parámetro MPS se calcula utilizando los diámetros de corte efectivos del 50% siguiendo la ecuación. (1).

La configuración experimental BFE según la norma EN14683:2019. (1) Nebulizador, (2) cámara de aerosol, (3) material de muestreo, (4) impactador en cascada, (5) filtro, (6) medidor de flujo, (7) bomba de vacío.

Cálculo del tamaño medio de partículas (MPS). (Px, x = [1–6]) son los diámetros de partículas correspondientes a una eficiencia de muestreo del 50% de cada una de las seis etapas y (Cx, x = [1–6]) es el número de partículas viables obtenidas de cada una de las seis etapas. las seis placas de Petri.

Un ciclo de medición para un tipo de mascarilla incluye ocho pruebas sucesivas. En un primer momento se realiza un control positivo sin presencia de mascarilla colocada entre el ACI y la cámara de aerosol. Este control positivo se utilizó para determinar la cantidad de partículas viables utilizadas en cada prueba (y así verificar que la especificación requerida por la norma EN14683:2019 esté dentro del rango de 1700 a 3000 UFC). A continuación, se realizan cinco experimentos para medir la eficiencia de filtración de las máscaras (es decir, muestras de prueba), cambiando la máscara para cada experimento en la entrada del impactador en cascada ACI. Luego, se realiza un segundo experimento de control positivo. Finalmente, este ciclo de ocho experimentos consecutivos finaliza con un control negativo que consiste en pasar aire, sin agregar patógenos, durante 2 min (esto sirve como control de contaminación para verificar que se depositaron bacterias/virus durante la ejecución positiva y que las muestras de prueba fueron sólo de la fuente de bioaerosol). Las placas de Petri, que capturaron las bacterias en cada etapa del ACI para los ocho experimentos, se incubaron a 37 ± 2 °C durante 22 ± 2 h. Las UFC se contaron con un contador de colonias automático Scan 4000 (Interscience, Saint Nom la Bretèche, Francia).

La prueba VFE no es un método de prueba estandarizado, pero fue adaptada de la prueba BFE descrita en la norma EN14683:2019 (y de la metodología experimental en “Eficiencia de filtración bacteriana (BFE)”). La eficiencia de filtración se midió utilizando el bacteriófago phi11 (stock de laboratorio del Centre International de Recherche en Infectiologie, equipo GIMAP, Universidad de Lyon, Inserm) en lugar de Staphylococcus aureus en la prueba BFE. Se aerosolizó una suspensión en solución de PBS de phi11 a 108 UFP/ml (UFP para unidad formadora de placa) utilizando un nebulizador de malla vibratoria (E-flow, PARI GmbH). El mismo banco experimental usado para la prueba BFE se usa luego para realizar la prueba VFE como se ilustra en la Fig. 1. Brevemente, el bioaerosol viral se extrae a través de una cámara de aerosol de vidrio y un ACI usando una bomba de vacío, y las muestras de la máscara se unen entre la cámara de aerosolización y el ACI. Los bacteriófagos aerosolizados se capturaron en placas de Petri llenas con solución salina tamponada con fosfato (21-040-CV, Corning, Manassas, EE. UU.) colocadas en las etapas ACI (15 ml de PBS por placa de Petri). Se realiza una evaluación de la viabilidad de los virus recolectados (no neutralizados) en cada etapa de la ACI contando los parches de lisis en placas de agar sangre Columbia inundadas con Staphylococcus aureus RN4220 (cepa bacteriana sensible al bacteriófago phi11). Luego las placas se incuban a 37 °C durante 22 ± 2 h. La PFU representa la cantidad de partículas o gotitas de aerosol viral. El ciclo de medición para cada tipo de máscara y el cálculo del MPS se realizaron como se describe para el método BFE. Las UFP se contaron manualmente.

La eficiencia de filtración (FE) de la mascarilla, expresada como porcentaje, se calcula siguiendo la ecuación. (2). El parámetro FE se determinó midiendo el número de UFC para la prueba BFE (respectivamente, el número de UFP para la prueba VFE), pasando a través del material de la máscara en comparación con un control positivo sin material de filtro colocado en la entrada del ACI.

donde FE es la eficiencia de filtración, C es la media de las dos series positivas del total de seis recuentos en placa y T es el total de los seis recuentos en placa para cada muestra de prueba.

Los análisis estadísticos se realizaron con GraphPad Prism 9.4.1 (GraphPad Software, San Diego, CA, EE. UU.). Se utilizó una prueba post-hoc Anova de dos vías con Sidak para evaluar si había diferencias significativas entre los resultados de eficiencia de filtración del método de prueba BFE y el método de prueba VFE. Los valores de p <0,05 se consideraron significativos. Los coeficientes de correlación para la comparación de la eficiencia de filtración entre los métodos de prueba se obtuvieron utilizando Excel.

La Tabla 2 muestra la eficiencia de filtración para gotas cargadas de bacterias y virus de tamaño aerodinámico similar (es decir, en el rango de 2 a 3 µm) y sus desviaciones estándar para los tres tipos de calidad de mascarilla (MFM, CFM1 y CFM2). En primer lugar, observamos que el MPS medio para la prueba BFE es ligeramente superior al MPS medio obtenido para la prueba VFE (2,9 ± 0,1 µm frente a 1,9 ± 0,2 µm). Por lo tanto, se informa un cambio en MPS entre los experimentos BFE y VFE, aunque se utilizó el mismo equipo de prueba. La posible fuente de este cambio en MPS puede ser inducida por un ligero cambio en las características físicas de la solución utilizada para suspender el virus (para el ensayo VFE) o las bacterias (para el ensayo BFE) antes de ser aerosolizados. De hecho, es bien sabido que las características de la solución (por ejemplo, viscosidad o concentración de proteínas) desempeñan un papel clave en el proceso de generación de aerosol y el destino de las partículas de aerosol.

A pesar de esta diferencia de aproximadamente 1 µm para el MPS (es decir, el tamaño de las gotas cargadas de microorganismos) para las pruebas BFE y VFE, apoyamos la conclusión de que las propiedades aerodinámicas de las gotas son muy similares en este rango de 2 a 3 µm en términos de la eficiencia de filtración de la máscara (en otras palabras, esta ligera diferencia en el tamaño de las gotas no tiene ningún impacto en la eficiencia de filtración resultante). Este es estrictamente el caso cuando la distribución del tamaño del vector alcanza un máximo entre 2 y 3 micrones. Pero tener un MPS en el rango de 2 a 3 micrones no garantiza que la distribución del tamaño del vector esté concentrada en ese tamaño. Sin embargo, los datos que ya hemos publicado sobre la distribución de tamaños de los bioaerosoles generados por nuestro banco experimental para estas pruebas confirman que nuestra hipótesis es legítima. De hecho, esta es una suposición razonable basada en nuestra experiencia con la filtración de máscara espectral utilizando la prueba BFE18. Además, la eficiencia de filtración espectral obtenida con la prueba BFE (Figs. 2 y 3) demuestra claramente que se observa un rendimiento de filtración bacteriana alto y comparable para MFM y CFM1 para rangos de vectores entre 2 y 3 µm. Sin duda, el CMF2 muestra una reducción significativa en la eficiencia de filtración bacteriana a partir de un tamaño de partícula de 2,1 µm (Figs. 2 y 3). Estos resultados confirman nuestra hipótesis anterior de que la ligera diferencia en el tamaño de las gotas entre las pruebas BFE y VFE, con MPS permaneciendo en general en el rango de 2 a 3 µm para ambas pruebas, no tiene un impacto significativo en la eficiencia de filtración de la mascarilla (Figs. 2 y 3). ). Además, se observan conclusiones bastante similares para la eficiencia de filtración espectral obtenida con la prueba VFE (Fig. 4), con una eficiencia de filtración excelente en general sea cual sea el tamaño del vector para MFM y una eficiencia de filtración que disminuye con el tamaño del vector para CFM1 y CFM2 (aunque el La diferencia en el rendimiento de filtración entre CFM1 y CFM2 es menos legible en el caso de las mediciones VFE en comparación con las mediciones BFE, debido a una mayor desviación estándar de la medición).

(Izquierda) Esquema de un ACI viable de seis etapas (amarillo). Las partículas en suspensión (rojas) se aspiran dentro del impactador en cascada con un caudal de 28,3 l/min (flecha azul). Cada etapa del ACI contiene una placa de Petri (verde) llena de agar nutritivo (marrón). (Derecha) Imágenes de una prueba BFE para cada etapa de impactación para los tres tipos de mascarillas (MFM, CFM1 y CFM2; MFM se refiere a mascarilla médica, CFM se refiere a mascarilla comunitaria). d50 se refiere al tamaño de corte de la etapa del impactador en cascada. Las colonias en las placas de Petri se observaron utilizando un contador de colonias HD.

Eficiencia de filtración bacteriana espectral (expresada en %) en función del diámetro aerodinámico de las partículas (expresado en µm) para los tres tipos de mascarilla (MFM, CFM1, CFM2; MFM se refiere a mascarilla médica y CFM se refiere a mascarilla comunitaria); valores experimentales (N = 5), media con desviación estándar.

Eficiencia de filtración viral espectral (expresada en %) en función del diámetro aerodinámico de las partículas (expresada en µm) para los tres tipos de mascarilla (MFM, CFM1, CFM2; MFM se refiere a mascarilla médica y CFM se refiere a mascarilla comunitaria); valores experimentales.

En cuanto a los resultados de BFE (Tabla 2), las mascarillas médicas muestran valores superiores al 98 % (en buena conformidad con la especificación Tipo IIR según EN14683:2019). Las mascarillas comunitarias presentan una menor eficiencia de filtración bacteriana en comparación con las MFM: 89,7 ± 3,6% para las CFM1 y 61,4 ± 1,2% para las CFM2. Podemos observar que la eficiencia de filtración bacteriana obtenida para ambos tipos de mascarillas comunitarias cumple relativamente bien con el límite de PFE del 90% para CFM tipo 1 y del 70% para CFM tipo 2.

En cuanto a la prueba VFE, los resultados demuestran claramente una buena correlación entre la eficiencia de filtración bacteriana y viral para las diferentes calidades de las mascarillas probadas. Comparando los resultados de los dos métodos (Fig. 5), podemos concluir que las pruebas VFE y BFE convergen hacia valores similares cualquiera que sea la calidad de la máscara (MFM, CFM tipo 1 o CFM tipo 2). De hecho, la comparación estadística de las dos pruebas no mostró diferencias significativas (p > 0,05). Sin duda, los valores de BFE estaban correlacionados con los valores de VFE, ya que los resultados (Figura complementaria S1) mostraron una buena correlación (r = 0,983) entre los dos métodos para un rango similar de tamaño de gota aerodinámico en el rango de 2 a 3 µm. Sin embargo, debemos ser cautelosos considerando que el número muy limitado de puntos en el gráfico de correlación (n = 3) es limitada y la significación estadística de este hallazgo es limitada.

Valores de eficiencia de filtración (expresados en %, como se define en la Ec. 2 en "Cálculo de eficiencia de filtración") entre los métodos de eficiencia de filtración bacteriana (BFE) y eficiencia de filtración viral (VFE) para los diferentes tipos de mascarillas evaluadas en este estudio (MFM, CFM1 y CFM2; MFM se refiere a mascarilla médica, CFM se refiere a mascarilla comunitaria). ns no son significativamente diferentes; valores experimentales (N = 5), media con desviación estándar.

La filtración de gotas de aerosol a través de una mascarilla se rige por dos mecanismos principales (Fig. 6). El primer mecanismo es la filtración directa de gotas de tamaño micrométrico cargadas de patógenos por el material filtrante de la mascarilla. Este primer paso depende principalmente del tamaño del vector de transmisión (es decir, gotas del orden de 2 a 3 µm en nuestro caso). El segundo mecanismo consiste en el transporte del patógeno, por aire o tras el depósito de las gotitas en la superficie de la mascarilla, a través de la mascarilla. Este segundo paso depende principalmente del tamaño y número de patógenos (tamaño micrométrico para bacterias, 100 nm para virus) acumulados en la superficie externa y en la estructura textil de la mascarilla. De hecho, la acumulación de patógenos en la mascarilla puede provocar su penetración a través de la mascarilla durante un tiempo de exposición suficientemente prolongado. Cuanto mayor sea la frecuencia respiratoria de la persona expuesta, mayor será la penetración de microorganismos.

Mecanismos de penetración de aerosoles. (1) Filtración de gotas cargadas de patógenos directamente a través del material filtrante. (2) Migración a través del material filtrante de patógenos acumulados en la superficie de la mascarilla.

Los resultados muestran que el primer mecanismo de filtración es sin duda predominante en la eficacia de filtración de una mascarilla, cualquiera que sea su calidad (MFM, CFM tipo 1 o tipo 2). De hecho, demostramos que se obtienen eficiencias de filtración similares para el mismo rango de gotas (en el rango de 2 a 3 µm) y esto independientemente del tamaño del patógeno utilizado (bacterias versus virus). Así, a partir de estos datos originales, podemos concluir que la eficacia de filtración de la mascarilla (cualquiera que sea la calidad de la mascarilla) depende principalmente del tamaño del vector que contiene el patógeno, y no del tamaño del patógeno en sí. De manera pragmática, estos resultados también confirman que el uso de EN14683:2019 (utilizando bioaerosoles bacterianos) para evaluar el rendimiento de las mascarillas médicas se puede extrapolar con confianza en términos de eficiencia de filtración de la mascarilla contra bioaerosoles virales (para el mismo tamaño de vector aerosolizado en el rango de aproximadamente 2 a 3 µm). Además, además de los mecanismos de filtración/penetración de aerosoles, para evaluar adecuadamente el factor de protección de una mascarilla facial, la literatura también ha demostrado que otros factores son importantes, como en particular la fracción de fuga para mascarillas holgadas como las presentadas en este estudiar.

Sin embargo, también se debe tener precaución porque la prueba reglamentaria EN14683:2019 se realiza en tiempos de exposición cortos (1 min de exposición de la mascarilla al bioaerosol durante la nebulización, seguido de 1 min de contacto entre patógenos en la superficie de la mascarilla con un caudal de 28,3 L/min). Como se señaló anteriormente, el tiempo de exposición es un parámetro muy importante para el segundo mecanismo de filtración descrito en la Fig. 5. Por lo tanto, no es imposible que el diseño de la prueba regulatoria EN14683:2019 favorezca principalmente la evaluación del primer mecanismo de filtración (filtración de gotitas cargadas de patógenos) en comparación con el segundo mecanismo de filtración (transporte de patógenos a través de la máscara). Se podrían realizar estudios futuros, modificando las condiciones impuestas por el marco regulatorio EN14683:2019, para evaluar la eficiencia de la filtración bacteriana o viral durante tiempos de exposición más largos (es decir, más largos que los 2 minutos impuestos por EN14683:2019), con el fin de examinar más a fondo la Impacto potencial del segundo mecanismo de filtración en la eficiencia de filtración de las mascarillas en condiciones experimentales que posiblemente le serían más favorables (mayor saturación de patógenos de la superficie externa de la mascarilla por los microorganismos, mayor duración para permitir un mayor transporte de patógenos a través de la mascarilla). .

Muchos epidemiólogos, así como agencias de salud y la OMS, utilizan el umbral de 5 µm para distinguir entre transmisión por aire y por gotitas. La transmisión de gotas sería causada por partículas de más de 5 µm de diámetro, mientras que sólo las partículas de menos de 5 µm permitirían la transmisión por el aire. Pero desde un punto de vista físico, este valor de 5 µm es básicamente arbitrario y no tiene ningún significado particular. Por lo tanto, no existe un límite de tamaño aerodinámico "verdadero" entre estos dos modos de administración de patógenos (transmisión por aire o por gotitas).

El VFE es una prueba no reglamentaria para evaluar la filtración de la mascarilla que en nuestro estudio arrojó valores bastante similares (para rangos de gotas en el rango de 2 a 3 µm) al valor BFE estándar según EN14683:2019. Los resultados de nuestra investigación están respaldados por otros estudios. Mientras y al. (2020) demostraron que los valores de VFE de las mascarillas quirúrgicas (VFE = 98,5 % frente a aerosoles con un tamaño promedio de 2,6 µm) eran comparables al BFE anunciado por el fabricante. Por lo tanto, confirmamos que la prueba VFE no es más interesante que la prueba BFE cuando se trata de rangos micrométricos de gotas como en nuestro estudio. Por otro lado, puede ser interesante utilizar la prueba VFE para evaluar el rendimiento de las mascarillas contra la transmisión aérea de patógenos (es decir, para gotitas transportadas por el aire, normalmente más pequeñas en el rango submicrónico). De hecho, es simplemente imposible medir el rendimiento de la eficiencia de filtración frente a bioaerosoles submicrónicos con una prueba BFE, porque el tamaño de las bacterias es de aproximadamente 1 micrón. Por lo tanto, la prueba BFE es perfectamente adecuada para comprobar la eficacia de las máscaras filtrantes frente a gotas micrométricas en suspensión en el aire (que corresponden más bien a la “transmisión de gotas”), pero nunca puede adaptarse para evaluar el rendimiento en el caso de gotas submicrométricas en suspensión en el aire (que corresponden más bien a la “transmisión de gotas”). transmisión aérea”). Por lo tanto, un VFE es la única prueba que realmente podría evaluar la calidad de una máscara frente a vectores de tamaño submicrónico. Sería posible crear una prueba VFE generando bioaerosoles virales consistentes en gotitas aéreas cargadas de virus de tamaño inferior a 1 µm utilizando nebulizadores específicos como el que ya hemos caracterizado en un estudio anterior y que presentan una distribución de diámetro aerodinámico de 0,15 a 0,5 µm. .

Se comparó la eficiencia de filtración bacteriana (BFE) y la eficiencia de filtración viral (VFE) de mascarillas faciales médicas y comunitarias. Los resultados mostraron una muy buena correlación entre los dos métodos de filtración (viral versus bacteriano) para un rango de tamaño de gota de 2 a 3 µm. Este resultado confirma la relevancia de utilizar los resultados de la norma EN14189:2019, utilizando bioaerosoles bacterianos, para evaluar el rendimiento de filtración de mascarillas médicas contra bioaerosoles de microorganismos virales para tamaños de gotas micrométricas. En otras palabras, el procedimiento normativo EN14189:2019 parece bastante adecuado para evaluar la filtración de las mascarillas frente a microgotas (el caso de la llamada “transmisión por gotitas”), cualquiera que sea el patógeno (bacteria o virus). De hecho, parece que la eficacia de filtración de las máscaras (para el tamaño de las gotas del orden de 2 a 3 μm y para las condiciones de funcionamiento establecidas por estos procedimientos normativos y, en particular, para duraciones de exposición cortas a los bioaerosoles) depende principalmente del tamaño. de la gotita en el aire en lugar del tamaño del agente infeccioso contenido en esta gotita.

Todos los datos principales están disponibles en el texto principal o en los materiales complementarios. La información complementaria sobre los datos utilizados en el análisis está disponible previa solicitud razonable al autor correspondiente.

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Los autores desean agradecer el apoyo técnico de Sergio SAO-JOAO y Marilyne MONDON por las adquisiciones de MEB.

École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Mines Saint-Etienne, INSERM, U1059 Sainbiose, Centro CIS, Universidad de Lyon, Universidad Jean Monnet, 158 Cours Fauriel, CS 62362, 42023, Saint-Etienne Cedex 2, Francia

Sana Djeghdir, Aurélien Peyron, Gwendoline Sarry, Lara Leclerc, Ghalia Kaouane y Jérémie Pourchez

Equipo GIMAP, CIRI, Centro Internacional de Investigación en InfectiologíaInserm, U1111, CNRS, UMR5308, ENS Lyon, Universidad de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, Lyon, Francia

Aurélien Peyron y Paul O. Verhoeven

Facultad de Medicina, Universidad Jean Monnet St-Etienne, St-Etienne, Francia

Pablo O. Verhoeven

Departamento de Higiene y Agentes Infecciosos, Hospital Universitario de St-Etienne, St-Etienne, Francia

Pablo O. Verhoeven

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PV y JP diseñaron el experimento. SD, JP, GS, LL, GK y AP realizaron los experimentos. Todos los autores contribuyeron al análisis y revisión de los datos. SD y JP escribieron el manuscrito y todos los autores contribuyeron a la revisión del manuscrito.

Correspondencia a Jérémie Pourchez.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Djeghdir, S., Peyron, A., Sarry, G. et al. Eficiencia de filtración de mascarillas médicas y comunitarias utilizando bioaerosoles virales y bacterianos. Representante científico 13, 7115 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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Recibido: 08 de noviembre de 2022

Aceptado: 27 de abril de 2023

Publicado: 02 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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