Forscher entwickeln antivirale Gesichtsmaske, die Viren abtötet

Jul 22, 2023

Wie während der COVID-19-Pandemie deutlich wurde, verringern Gesichtsmasken das Risiko einer Virusinfektion, indem sie die Ausbreitung von Atemtröpfchen reduzieren.

FDA-Sprecherin Audra Harrison sagte gegenüber Medical News Today, dass die vom National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) zugelassenen N95-Atemschutzmasken bislang „der Goldstandard für Atemschutz für Gesundheitspersonal“ seien.

Herkömmliche Masken – einschließlich N95 – sind jedoch nicht in der Lage, Viren bei Kontakt zu deaktivieren.

Das Risiko einer Kontamination steigt mit der Tragedauer, und dem medizinischen Personal wird empfohlen, Gesichtsmasken nach dem Kontakt mit dem Patienten zu entsorgen. Dies kann zu Maskenengpässen führen und erhebliche Mengen an Plastikmüll erzeugen.

Aber Forscher am Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) in New York haben eine Methode entwickelt, die N95-Gesichtsmaskenfiltern antivirale und antibakterielle Eigenschaften verleiht. Sie fanden heraus, dass die Einarbeitung von Materialien mit antiviralen Eigenschaften in Gesichtsmasken deren Fähigkeit zum Schutz vor Infektionen verbesserte, gleichzeitig die Tragedauer verlängerte und so den Plastikmüll reduzierte.

Die neue Forschung wurde in der Juni-Ausgabe von ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.

Frühere Forschungen haben Gesichtsmasken mit antiviraler Wirkung entwickelt, indem in die Filterfasern Metallnanomaterialien eingearbeitet wurden, die Viren deaktivieren können, beispielsweise Kupfer.

Die Forscher befürchteten jedoch, dass sich metallische Nanomaterialien vom Maskenfilter lösen und eingeatmet werden könnten, was zu Toxizität führen könnte.

Polykationen – langkettige Moleküle mit einer positiven Nettoladung – können anstelle von Metallnanomaterialien verwendet werden, um Oberflächen mit antiviraler Aktivität auszustatten. Frühere Studien dokumentierten die Fähigkeit von Polykationen, Bakterien und Viren bei Kontakt durch Zerstörung ihrer Zellmembranen abzutöten.

Dr. Helen Zha, Assistenzprofessorin für Chemie- und Bioingenieurwesen bei Rensselaer und Mitautorin der neuen Gesichtsmaskenforschung, erläuterte in einer Pressemitteilung die von ihr und ihrem Forschungsteam entwickelte polykationbasierte Methode. Die Methode verleiht Polypropylengewebe, das üblicherweise als Filtermaterial in N95-Masken verwendet wird, antimikrobielle Eigenschaften.

„Der von uns entwickelte Prozess nutzt eine wirklich einfache Chemie, um diese nicht auslaugende Polymerbeschichtung [auf dem N95-Maskenfiltermaterial] zu erzeugen, die Viren und Bakterien abtöten kann, indem sie im Wesentlichen ihre äußere Schicht aufbricht.“

– Dr. Helen Zha

Dr. Zhas Team trug ein quartäres Ammoniumpolymer (ein Polykation) auf Polypropylenfaseroberflächen auf und nutzte dabei ultraviolettes (UV) Licht, um den Pfropfprozess voranzutreiben. Die daraus resultierende ultradünne Polymerbeschichtung verleiht dem Filter eine dauerhaft positive Ladung, ohne die Faserstruktur oder die Atmungsaktivität des Filters stark zu verändern.

Die Forscher fanden heraus, dass das mit Polymer beschichtete Polypropylen bei Kontakt mehrere mit Lipiden umhüllte Viren sowie Staphylococcus aureus- und Escherichia coli-Bakterien deaktivieren kann.

Die antivirale Aktivität von polymerbeschichtetem Polypropylen wurde anhand verschiedener Viren getestet. Dazu gehörten ein Maus-Coronavirus, das dem menschlichen Coronavirus SARS-CoV-2 ähnelt, ein menschliches Coronavirus und ein Suid-Herpesvirus (auch Pseudorabiesvirus genannt). Nach Kontakt mit dem beschichteten Filter nahm die Anzahl infektiöser Viruseinheiten ab, obwohl die antivirale Aktivität je nach Virusstamm und Methode zur Quantifizierung des infektiösen Virus erheblich schwankte.

Basierend auf antimikrobiellen Mechanismen, die in früheren Studien beschrieben wurden, glauben die Forscher, dass positiv geladenes Polypropylen Viren und Bakterien bei Kontakt abtötet, indem es deren Zellmembran zerstört.

Die Forscher stellten fest, dass die Filtrationseffizienz des N95-Filters nach dem Aufbringen der antimikrobiellen Polymerbeschichtung abnimmt.

Dieses Problem kann jedoch gelöst werden, indem unter der polymerbeschichteten Maske eine unveränderte N95-Maske getragen wird.

Künftig könnten Maskenhersteller antimikrobielles Polymer in der Außenschicht der N95-Maske verwenden.

Das antimikrobielle Polymerbeschichtungsverfahren kann auf vorhandene Maskenfilter angewendet werden, ohne dass neue hergestellt werden müssen.

Allerdings wurde die Polymerbeschichtungsmethode auch entwickelt, um „die Kommerzialisierung zu erleichtern“, sagte Dr. Zha gegenüber MNT.

„Wir haben bewusst Reagenzien, Lösungsmittel und Geräte verwendet, die leicht verfügbar sind. Wir haben einfache Chemikalien und Methoden verfolgt, die das Potenzial haben, skaliert zu werden“, sagte Dr. Zha. „Ich denke, dass es einen gangbaren Weg für eine groß angelegte Produktion und kommerzielle Umsetzung gibt.“

Laut einer Pressemitteilung bezeichnete Shekhar Garde, Dekan der School of Engineering in Rensselaer, die antimikrobielle Polymerbeschichtungsmethode als „eine kluge Strategie“ und wies auf ihre Vielseitigkeit hin.

„Angesichts der Fülle an Polypropylen im täglichen Leben ist diese Strategie vielleicht auch in vielen anderen Zusammenhängen nützlich“, sagte Garde.