Baumwollmasken sind bei der Virenprävention genauso wirksam wie N95-Masken (DIY-Tipps bitte aufbewahren)

Das Tragen einer selbstgemachten Baumwollmaske kann nicht nur Viren wirksam vorbeugen, sondern auch die Umwelt schonen.

Geschrieben von | Xiaoye

Die nördliche Hemisphäre steht kurz vor der heißesten Jahreszeit des Jahres 2021 und die unberechenbaren neuen Varianten des Coronavirus bedrohen die Menschheit weiterhin. Wir müssen weiterhin den „dreiteiligen Schutz“ einhalten: Masken tragen, soziale Distanz wahren und auf persönliche Hygiene achten.

Im Land ist das Tragen einer Maske für die meisten Menschen zur alltäglichen Gewohnheit geworden. Es gibt viele Arten von Masken auf dem Markt und das Angebot ist ausreichend, darunter Einweg-Schutzmasken, Anti-Smog-Masken N90, N95, waschbare und wiederverwendbare Masken usw. Zu Beginn der Epidemie gab es jedoch eine Zeit lang einen weltweiten Mangel an Masken. Damals fand eine Gruppe von Wissenschaftlern heraus, wie man eigene Masken herstellen kann, und fand außerdem den besten Stoff, der die Coronavirus-Partikel wirksam blockieren kann.

Die COVID-19-Pandemie hat viele Menschen dazu gezwungen, von zu Hause aus zu arbeiten, und Wissenschaftler bilden da keine Ausnahme. Edward Vicenzi ist Wissenschaftler und Forscher am Smithsonian Museum Conservation Institute (MCI) in den USA. Vor der Epidemie bestand seine Hauptaufgabe darin, mithilfe verschiedener Präzisionsgeräte seltene antike Artefakte und Relikte zu untersuchen. Jamie Weaver, Chemiker am National Institute of Standards and Technology (NIST), untersucht die Chemie von Glaswaren aus dem Schweden vor der Wikingerzeit.

Beide Wissenschaftler verfügen über umfassende Kenntnisse in der Materialforschung. Zu Beginn der Epidemie bildeten sie ein Team mit zwei anderen Wissenschaftlern für atmosphärische Aerosole, James Radney und Chris Zangmeister, die ebenfalls am NIST arbeiteten. Sie reagierten auf den Aufruf aus der Wissenschaft und den Gesundheitsbehörden, nutzten ihr Fachwissen und ihre Fähigkeiten, stellten selbst Masken her und untersuchten Maskenstoffe, die Virenpartikeln wirksam widerstehen können.

Im Jahr 2020 demonstrierten und lehrten die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) in den USA auf ihrer offiziellen Website drei Methoden zur Herstellung einfacher Stoffmasken. Um die Schutzwirkung zu verstärken, empfiehlt es sich zusätzlich, unter der selbstgemachten Maske eine chirurgische Einwegmaske zu tragen.

Die Schritte zur Herstellung von Masken wurden einst auf der offiziellen Website der US-amerikanischen CDC veröffentlicht. Allerdings verfügt jeder über unterschiedliche praktische Fähigkeiten und die Wirkung individueller selbstgemachter Masken variiert. Später gab es ein ausreichendes Angebot an Masken auf dem Markt. Mittlerweile empfiehlt die CDC nicht mehr, Masken zu Hause herzustellen und hat die Seite zum Selbermachen von Masken gelöscht.

Weaver verwendet die in der obigen Abbildung dargestellte Methode. Zum Zusammennähen benötigen Sie eine Nähmaschine, der Vorgang ist jedoch ziemlich einfach:

1. Schneiden Sie zwei rechteckige Stücke aus Baumwollstoff (Bettlaken oder alte T-Shirts sind auch in Ordnung) mit einer Länge von etwa 25 cm und einer Breite von 15 cm zu.

2. Stapeln Sie sie übereinander, falten Sie die Ober- und Unterseite sowie die linke und rechte Seite nach innen und nähen Sie sie dann mit einer Nähmaschine zusammen.

3. Nehmen Sie dann zwei lange Gummibänder, führen Sie sie durch die beiden kurzen Seiten der Maske, machen Sie einen Knoten und stopfen Sie den Knoten in die Seitennaht;

4. Nachdem Sie die Position der Maske und des Gummibands angepasst haben, passen Sie die Maske an Ihr Gesicht an und fixieren Sie die Form der Maske.

5. Zum Schluss das Gummiband an der Seitennaht festnähen, damit es nicht verrutscht. Auf diese Weise entsteht eine einfache Stoffmaske.

Bei der Herstellung selbstgemachter Masken spielte Weavers familiärer Hintergrund eine große Rolle. Ihr Nachname Weaver bedeutet „Weber“. Tatsächlich waren fünf Generationen meiner Familie geschickte Näherinnen und sammelten Textilien aller Art. Dieses Mal hat Jamie selbst die Nähmaschine seiner Großmutter verwendet, um Masken aus verschiedenen Stoffen herzustellen, die aus heimischen Sammlungen bis hin zu Stoffen aus Bastelläden stammen. Um die Sicherheit zu erhöhen, nähte Weaver drei Stofflagen und fertigte zusätzlich einen Flicken in der Nähe der Nase an, um zu verhindern, dass die Maske schlecht sitzt.

Die vier Wissenschaftler auf dem Bild, die selbst gebastelte Masken tragen, waren die ersten, die in der Zeitschrift Forschungsergebnisse zu Maskenmaterialien veröffentlichten. Von links nach rechts: Jamie Weaver, James Radney, Edward Vicenzi und Christopher Zangmeister | Quelle: NIST

Die Herstellung von Stoffmasken ist einfach, es ist jedoch nicht leicht, einen Maskenstoff mit hervorragender Schutzwirkung zu finden. Dies steht auch im Fokus der Forschung des vierköpfigen Teams. Sie haben während der Grippepandemie von 1918 viele Artikel zum Thema Masken gelesen. Tatsächlich war es der Ausbruch der Grippepandemie im Jahr 1918, der Masken von chirurgischen Instrumenten in das Leben der breiten Öffentlichkeit brachte.

In einem Dokument aus dem Jahr 1919 wurden die selbstgemachten medizinischen Masken beschrieben, die damals vom medizinischen Personal getragen wurden, und wie man sie herstellte. Die von der CDC angegebene Methode ist ähnlich. Quelle: George H. Weaver, Droplet Infection and its Prevention by the Face Mask, The Journal of Infectious Diseases, Band 24, Ausgabe 3, März 1919, Seiten 218–230.
https://doi.org/10.1093/infdis/24.3.218

Aufgrund der Ausgangsbeschränkungen konnten Vicenzi und Weaver die hochmoderne Ausrüstung des Labors nicht nutzen. Da für sie aber DIY-Masken kein Problem darstellen, sind DIY-Labore natürlich auch kein Problem. Sie kauften bei Walmart eine Menge einfacher Mikroskope für jeweils weniger als 30 Dollar. Vicenzi hat im Internet auch ein hochauflösendes Mikroskop gefunden, mit dem sich die detaillierten Merkmale von Stofffasern mit einer Genauigkeit von bis zu 2 μm deutlich erkennen lassen. Später wurden in den vom Team veröffentlichten Artikeln viele hochauflösende und exquisite mikroskopische Bilder von Faserstrukturen von Vicenzi erstellt. Vicenzi verwandelte auch einen Bierkühler in einen einfachen Luftbefeuchter, indem er den Stoff mit Klebeband daran befestigte. Mithilfe dieser einfachen Versuchsausrüstung können die beiden Wissenschaftler die Eigenschaften verschiedener Stoffproben beobachten und testen: Porosität, Stofffadendichte, Stofffadendicke und -zusammensetzung usw. und so herausfinden, wie der Stoff winzigen Viruspartikeln widersteht.

Vicnezi begann im April letzten Jahres mit dem Bau eines Heimlabors. Quelle: Ed Vicnezi

Im Vergleich zu ihnen hatten Radney und Zangmeister viel mehr Glück. Sie erhielten eine Sondergenehmigung, um während der Epidemie im Labor arbeiten zu dürfen. Während dieser Zeit reisten die beiden Männer zwischen den Häusern von Weaver und Vicenzi hin und her und brachten den Wissenschaftlern Pakete mit Stoffproben. Im Labor der Einheit simulierten sie das neue Coronavirus mit Natriumchlorid und nutzten eine „magische Sprühflasche“, um kleine Partikel oder Aerosole unterschiedlicher Größe mit Durchmessern zwischen 50 und 825 Nanometern zu versprühen. Sie beobachteten, wie diese Partikel in das Gewebe im geschlossenen Reagenzglas eindrangen und maßen das Verhältnis der Partikelanzahl auf beiden Seiten des Gewebes, um die Filterwirkung der einzelnen Gewebearten zu bestimmen.

Bereits im Juni 2020 wurden die Ergebnisse des vierköpfigen Teams in der Fachzeitschrift ACS Nano [1] veröffentlicht, was für großes Aufsehen sorgte. Laut Statistik wurde dieser Artikel seit seiner Online-Veröffentlichung mehr als 64.000 Mal aufgerufen und wurde im Jahr 2020 zum Schlagzeilenartikel der Zeitschrift.

Vergrößerte Bilder mehrerer Stoffe mit der besten Schutzwirkung unter dem Mikroskop: A. 100 % Baumwolle, Handtuch, B1 und B2 sind die Außen- und Innenseiten von 100 % Baumwolle, leichtem Flanell, C. 100 % Polyester, Kleiderstoff, D. 100 % Baumwolle, Kissenbezug, E. 100 % Polyester-Stapelfaser | Quelle: ACS Nano 2020, 14, 7, 9188-9200

Der Studie zufolge wählten die vier Wissenschaftler 32 Stoffarten aus und maßen deren Filtrationseffizienz, Differenzdruck, Qualitätsfaktor und Konstruktionsparameter. Es wurde auch mit sieben Arten von Polypropylenfaser-Filtermaterialien verglichen, die in chirurgischen Masken und N95-Masken verwendet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass Flanell aus 100 % Baumwolle den besten Schutz vor Viruspartikeln bot, genauso gut wie N95-Masken, dicht gefolgt von gewebten Kunstfasern. Wenn dem Flanell eine oder zwei Filterschichten hinzugefügt werden, beispielsweise ein HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air Filter), ein Kaffeefiltertuch oder andere Materialien, die winzige Aerosolpartikel einfangen können, wird die Schutzwirkung der Maske noch weiter verbessert.

Wie werden N95-Masken hergestellt? Der Prototyp der N95-Maske geht auf die Designidee eines Damenunterwäsche-Cups der amerikanischen Moderedakteurin Sara Little Turnbull aus dem Jahr 1958 zurück. Nach kontinuierlicher Modifikation kann die endgültige Maske 95 % der Aerosole blockieren, die mit der Größe neuer Coronavirus-Partikel vergleichbar sind. Im Allgemeinen hat ein einzelnes Viruspartikel einen Durchmesser von etwa 110 Nanometern. Laut Zangmeisters Aufzeichnungen sind die Viruscluster in der Ausatemluft von Patienten mit frischer Koronarpneumonie jedoch in Proteine ​​und Salze eingehüllt und ihre Durchmesser können bis zu ein oder zwei Mikrometer erreichen. Bei der industriellen Herstellung von N95-Masken wird die Schmelzblasextrusion verwendet, um die Kunststofffasern der N95 zu verformen. Auf diese Weise werden Faserbündel unterschiedlicher Dicke miteinander vermischt, um unterschiedliche Formen und Texturen zu bilden. Dieses unordentliche Mischgewebe verhindert, dass Aerosole durch die Maske gelangen.

Die Kunststofffaserstruktur im Inneren der N95-Maske ist ein einziges Chaos. Quelle: Ed Vicenzi

Die strukturelle Bildgebung von Vicenzis Team enthüllte den Mechanismus, durch den Stoffmasken ebenso gut vor Viruspartikeln schützen wie N95-Masken. Gängige Stoffe wie Flanell haben eine innere Struktur zwischen N95 und Polyester. Obwohl seine Fasern in einem Muster gewebt sind, sind sie dennoch sehr unregelmäßig. Dies liegt daran, dass beim Weben von Flanell Faserbündel von der Oberfläche abstehen und so genannte „Fussel“ bilden. Die Forscher vermuten, dass diese Plüschoberfläche dem Stoff nicht nur eine weiche Haptik verleiht, sondern ihm auch ermöglicht, mehr Aerosolpartikel einzufangen, wie eine N95-Maske. „Flanell ist die N95-Maske unter den Textilien“, sagte Vicenzi.

Die Mikrostruktur des Flanellgewebes ist in puncto Wirksamkeit nur den N95-Masken unterlegen. Quelle: Ed Vicenzi

Am 8. März 2021 wurde der zweite Artikel des Teams in der Fachzeitschrift ACS Applied Nano Materials [2] veröffentlicht, der einen weiteren Vorteil von Baumwollmasken aufzeigt: Feuchtigkeit erhöht die Schutzwirkung der Masken.

Sie simulierten die hohe Luftfeuchtigkeit beim Atmen und stellten fest, dass die Filterwirkung hydrophiler Stoffe (wie etwa reiner Baumwollstoffe) verstärkt wird, wenn Tröpfchen mit dem neuen Coronavirus auftreffen. Das Prinzip ist einfach zu verstehen: Die Luftfeuchtigkeit unserer Ausatemluft beträgt 100 % und Baumwollmasken sind wasserabsorbierend. Nach der Aufnahme von Wasser dehnen sich die Fasern aus und verdicken sich erheblich, wodurch der winzige Innenraum noch kleiner wird und es für Aerosole zunehmend schwieriger wird, durch die Maske in die Nasenhöhle zu gelangen.

Im Gegensatz dazu sind die in N95-Masken verwendeten synthetischen Kunststofffasern hydrophob und der ausgeatmete Wasserdampf kondensiert auf der Innenseite der Maske. Vicenzi verwendete eine Analogie: „… wie ein summendes Insekt, das in ein Fliegennetz gerät, ist es fest gefangen, sobald es die Oberfläche des Netzes berührt.“ In ähnlicher Weise werden Aerosolpartikel in der extrem feuchten Umgebung innerhalb einer Baumwollmaske durch die Aufnahme von Wasser größer und bleiben schließlich in einem kleinen Raum gefangen.

Eine Simulation der Filter- und Schutzwirkung einer Baumwollmaske im Vergleich zu trockenen und feuchten Materialien. Es ist ersichtlich, dass mehr Aerosolpartikel durch das trockene Gewebe (Abbildung a) dringen als durch das nasse Gewebe (Abbildung b) | Quelle: Die Hydratisierung hydrophiler Stoffmasken verbessert die Filtration von Nanopartikeln

Dies bedeutet jedoch nicht, dass Sie die Maske vor dem Tragen in Wasser einweichen müssen, sondern dass beim ständigen Tragen einer Baumwollmaske die feuchte Filterschicht im Inneren der Maske mit der Zeit die Virenschutzwirkung verstärkt.

Wie wir alle wissen, sorgte die Frage, ob das Tragen einer Maske notwendig sei, zu Beginn der COVID-19-Pandemie weltweit für große Kontroversen. Die Forschung von Vicenzis Team enthüllte den strukturellen Mechanismus der Maskenblockierung von Viruspartikeln und bewies damit, dass Chinas Ansatz richtig ist: Während der Epidemie sollte jeder eine Maske tragen, um seine eigene Gesundheit und die anderer zu schützen.

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift Science[3] veröffentlichte Studie hat zudem theoretisch bewiesen, dass das Tragen einer Maske im Alltag die Verbreitung des neuen Coronavirus verringern kann. In öffentlichen Umgebungen können wir es nicht vermeiden, die Ausatemluft anderer einzuatmen, insbesondere in Krankenhäusern, wo die Virenkonzentration am höchsten ist. Selbst die wirksamsten medizinischen Masken können keinen ausreichenden Schutz bieten, wenn wir keine Schutzkleidung tragen und nicht für ausreichend Belüftung sorgen. Im Wohnumfeld normaler Menschen ist die Konzentration des neuen Coronavirus in den von ihnen ausgeatmeten Aerosolen jedoch nicht hoch und gehört zum virusbegrenzten Bereich. Solange jeder eine Maske trägt, selbst die einfachste Einweg-OP-Maske, kann dies den möglichen Kontakt mit dem Virus wirksam reduzieren, während gleichzeitig Restviren besser herausgefiltert und die Infektionsrate weiter gesenkt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl Patienten als auch gesunde Menschen für den bestmöglichen Schutz Masken tragen und dabei auf eine gute Belüftung und soziale Distanz achten müssen.

In einer virenbegrenzten Umgebung, also der Umgebung, in der normale Menschen leben, besteht der Unterschied zwischen dem Tragen einer Maske und dem Nichttragen einer Maske darin, dass die roten Punkte Aerosolpartikel darstellen, die das neue Coronavirus enthalten, während die grünen Punkte Aerosolpartikel darstellen, die das Virus nicht enthalten.丨Quelle: Tinu CA von www.freeicons.io, verbreitet unter CC-BY 3.0.

Der weltweite Kampf gegen die Epidemie ist eine äußerst komplexe systematische Tätigkeit. Schon eine geringfügige Änderung des menschlichen Verhaltens kann den Verlauf und die Auswirkungen der Virusübertragung erheblich verändern. Die Epidemie ist noch nicht vorbei und das ständig mutierende neue Coronavirus kann jederzeit neue Bedrohungen für uns mit sich bringen. Wenn der heiße Sommer zu Ende geht, können wir genauso gut selbst Baumwollmasken mit Mustern und Farben herstellen, die uns gefallen, um uns und die Umwelt zu schützen. Schließlich haben sowohl die wissenschaftliche Forschung als auch die Lebenspraxis die praktische Bedeutung des Tragens von Masken bewiesen, das für uns normale Menschen tatsächlich eine der wirksamsten Waffen im Kampf gegen die Epidemie darstellt.

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

Verweise

[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