Plasma

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 19944 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Aufgrund des Mangels an persönlicher Schutzausrüstung (PSA) während der COVID-19-Pandemie sind das Interesse und die Nachfrage nach Sterilisationsgeräten zur Wiederverwendung von PSA gestiegen. Für die Wiederverwendung von Gesichtsmasken müssen diese wirksam von potenziellen Infektionserregern dekontaminiert werden, ohne dass die Filtrationsfähigkeit während der Sterilisation beeinträchtigt wird. In dieser Studie verwendeten wir eine gepulste dielektrische Barrierenentladung (DBD) bei Atmosphärendruck in Kombination mit vernebelten flüssigen Mikrotröpfchen, um plasmaaktivierten Nebel (PAM) zu erzeugen. MS2- und T4-Bakteriophagen wurden zur Durchführung der Dekontaminationstests an zwei Arten von N95-Atemschutzmasken verwendet. Die Ergebnisse zeigten eine Reduzierung von MS2 und T4 um mindestens 2 log bei N95-Atemschutzgeräten, die in einem Zyklus mit 7,8 % Wasserstoffperoxid PAM behandelt wurden, und eine Reduzierung um mindestens 3 log bei Behandlung mit 10 % Wasserstoffperoxid PAM. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass nach 20 Zyklen keine signifikante Verschlechterung der Filtrationseffizienz von N95-Atemschutzmasken (3M 1860 und 1804) festgestellt wurde, die mit 10 % Wasserstoffperoxid PAM behandelt wurden. Im Hinblick auf die ermittelte Wiederverwendbarkeit von Masken nach der Behandlung zeigte sich, dass die elastischen Bänder von 3M 1804 nach 20 Behandlungszyklen zersplitterten und somit unbrauchbar wurden, während die Bänder von 3M 1860 auch nach 20 Desinfektionszyklen nicht negativ beeinträchtigt wurden.

Seit der Identifizierung des ersten Falls im Dezember 2019 hat sich die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19) in mehreren Ländern schnell ausgebreitet und wurde im März 2020 von der Weltgesundheitsorganisation zur Pandemie erklärt1. Das Virus, das die Krankheit COVID-19 verursacht, wird als schwerwiegend bezeichnet Das akute respiratorische Syndrom Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) kann sich unter Menschen über Atemtröpfchen beim Husten und Niesen, Aerosole beim Atmen und Sprechen sowie Fomites2 ausbreiten. Frühere Untersuchungen haben das Tragen von Gesichtsmasken (auch Atemschutzmasken genannt) in der Öffentlichkeit empfohlen, um die Ausbreitung von COVID-193,4 einzudämmen. Eine chirurgische Maske kann große Partikeltröpfchen, Spritzer, Sprays oder Spritzer blockieren, die Keime (Viren und Bakterien) enthalten können, während das N95-Atemschutzgerät in der Luft befindliche Partikel zu mindestens 95 % effizient filtern kann. Die Kanten der N95-Atemschutzmaske sind so konzipiert, dass sie sich an das Gesicht des Trägers anpassen und verhindern, dass Luft, die Schadstoffe enthält, in die Nase und den Mund des Trägers gelangt, ohne durch die Atemschutzmaske gefiltert zu werden5. Neben Gesichtsmasken waren auch andere persönliche Schutzausrüstungen (PSA) wie Handschuhe, Gesichtsschutz und Kittel in Teilen der Welt stark nachgefragt, da die COVID-19-Fälle weiterhin zunehmen6. Zu Beginn der Pandemie konnten die Versorgung und Verteilung von PSA nicht mit der hohen Nachfrage Schritt halten, was Gesundheitspersonal und Ersthelfer dazu zwang, PSA wie chirurgische Atemschutzmasken und N95-Atemschutzmasken wiederzuverwenden.

Aufgrund des Mangels an PSA, insbesondere N95-Atemschutzmasken, zu Beginn der COVID-19-Pandemie wurden zahlreiche Studien mit Schwerpunkt auf der Dekontamination und Wiederverwendung von PSA durchgeführt, einschließlich der Verwendung von ultravioletter keimtötender Bestrahlung (UVGI) und verdampftem Wasserstoffperoxid (VHP), Ethylenoxid (EtO), Mikrowellenherd, Bleichmittel, Wärmebehandlung, Ethanol, flüssiges Wasserstoffperoxid, Autoklav, Isopropylalkohol, Wischprodukte, Leitungswasser, Seife und Wasser und traditioneller elektrischer Reiskocher7. Es ist nicht einfach, die Wirksamkeit der verschiedenen Ansätze zu vergleichen, da mit jeder Methode unterschiedliche Viren und Bakterien sowie auf verschiedenen Maskenmaterialien getestet wurden. Beispielsweise kann UVGI die H1N1-Influenza-Sporen um mindestens 3 Logarithmen reduzieren8, während VHP die Sporen von Geobacillus stearothermophilus auf N95-Atemschutzgeräten um 6 Logarithmen reduzieren kann9. Einige der Methoden wie UVGI, VHP, Mikrowellenherd, Bleichmittel, Wärmebehandlung und Autoklav beeinträchtigen jedoch die Qualität von N95-Atemschutzmasken, indem sie die Filtereffizienz verringern oder die Materialintegrität der Maskenbänder beeinträchtigen7.

Nicht-thermisches Plasma, einschließlich direkter Exposition und Fernexposition, hat sich als Niedertemperaturmethode zur Sterilisation von Oberflächen und Materialien für die mikrobielle Dekontamination als effizient erwiesen. Studien haben gezeigt, dass Plasmatechnologien Krankheitserreger auf der Oberfläche von medizinischen Geräten10 und landwirtschaftlichen Produkten11 inaktivieren können. Im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie haben aktuelle Untersuchungen gezeigt, dass direktes nicht-thermisches Plasma SARS-CoV-2-RNA in Bioaerosolen inaktivieren kann12. In einer anderen Studie konnten sie den Einsatz von Oberflächenentladung mit dielektrischer Barriere (DBD) zur Inaktivierung eines Pseudovirus mit dem SARS-CoV-2-S-Protein in Kühlketten-Lager- und Transportumgebungen nachweisen13. Neben der direkten Anwendung von Plasma auf Materialien zur Desinfektion wurde auch weithin nachgewiesen, dass plasmaaktiviertes Wasser (PAW) als wirksame bakterizide Lösung wirken kann14,15. Ein sanfterer und vielseitigerer Ansatz, der dem PAW ähnelt, ist die Herstellung von PAM, bei der vernebelte Wassertröpfchen oder andere Lösungen einer Plasmaentladung ausgesetzt werden. Anstatt Materialien in PAW einzutauchen, erzeugen PAM-Methoden Tröpfchen, die im Plasma erzeugte reaktive chemische Spezies mit mikrobieller und viraler Inaktivierungsfähigkeit transportieren können, um Oberflächen zu sterilisieren. Eine frühere Studie hatte gezeigt, dass PAM hohe Konzentrationen an Wasserstoffperoxid ansammelt und einen sauren pH-Wert annimmt, der in PAM geeignete Bedingungen für eine starke antimikrobielle Aktivität schafft16. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) und reaktive Stickstoffspezies (RNS) gelten als die wichtigste Rolle der Desinfektion bei PAM17. ROS umfasst hauptsächlich Radikale, Wasserstoffperoxid, Singulettsauerstoff, Superoxidanionen und Ozon, während RNS hauptsächlich Nitrat, Nitrit, Peroxynitrit, Stickoxidradikal, Ammoniak und Stickstoff umfasst15. Es wurde gezeigt, dass diese ROS und RNS mit Virus-DNA (Doppel- und Einzelstrang) und RNA reagieren18,19. Beispielsweise zeigte eine frühere Studie, dass ROS- und RNS-haltiges PAM Bakterien auf der Oberfläche von Grünkohl inaktivieren kann, ohne die Oberfläche selbst zu beschädigen20. Daher kann PAM das Potenzial haben, SARS-Cov-2 auf der Oberfläche von N95-Atemschutzmasken zu inaktivieren, ohne deren Schutzwirkung für den Benutzer zu beeinträchtigen. Darüber hinaus steigerte die Kombination aus 7,8 % aerosolisiertem Wasserstoffperoxid und Plasma die Wirksamkeit der Inaktivierung von Salmonellen und L. innocua auf der Oberfläche frischer Produkte21. Diese Kombination kann auch eine wirksame Methode zur Behandlung von PSA sein.

In dieser Studie wollten wir die mikrobielle Dekontaminationseffizienz von MS2 und T4, beides unbehüllte Coliphagen, an zwei Arten von N95-Atemschutzgeräten (3M 1804 und 1860) durch Anwendung von PAM testen, wobei die zur Erzeugung von PAM vernebelte Lösung entweder entionisiert war (DI) Wasser oder Wasser mit unterschiedlichen Konzentrationen an H2O2. Außerdem wollten wir die Filtrationseffizienz mittels Partikelgrößenanalyse testen, um zu sehen, ob es negative Auswirkungen auf die Materialleistung der N95-Masken gibt.

Der Prototyp wurde aus einem elektrischen Geschirrtrockner mit 53 l Fassungsvermögen hergestellt (Abb. 1). Ein Oberflächen-DBD mit 20 kHz und 3.000 V wurde außerhalb des Geschirrtrockners installiert und mit der Kammer im Inneren verbunden. Ein 750-ml-Wasserbehälter wurde an der Seite des Geschirrtrockners befestigt und mit dem Ultraschallvernebler verbunden, der mit dem DBD-Reaktor verbunden war.

Schematische Darstellung des Plasmasystems. Es besteht aus drei Kammern: einem großen offenen 53-L-Bereich für die PSA, der Plasmakammer (Nr. 1–6) und der Heizkammer (Nr. 7–9): 1. Ventilator, der die Luft in die Plasmakammer drückt. 2. Verlassen Sie die Plasmakammer, wo Tröpfchen, gemischt mit plasmaerzeugten reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies (RONS), in den Bereich mit der PPE eingebracht werden. 3. Plasma wird mit einer dielektrischen Barrierenentladung mit 20 kHz und 3.000 V erzeugt. 4. Ein Ultraschallvernebler wird zur Erzeugung von Wassermikrotröpfchen mit einem mittleren Durchmesser von ~ 5 µm verwendet. 5. Wasser-Mikrotröpfchen bilden einen dichten Nebel, der unmittelbar nach der Plasmazone erzeugt und mit RONS vermischt wird. 6. Jeder Zyklus verbraucht 1 ml DI-Wasser oder andere Lösungen und unser aktueller Prototyp verfügt über einen 750-ml-Behälter. 7. Für den Warmluftkreislauf wird die Luft (die Rest-RONS und Feuchtigkeit enthält) mit der PPE aus der Kammer angesaugt. 8. Die Luft-RONS-Feuchtigkeit wird auf 50 °C erhitzt, um die Entfernung der restlichen reaktiven Chemie und das Trocknen des PPE zu erleichtern. 9. Durch einen Ventilator wird warme Luft in die Kammer mit der PSA gedrückt.

Über Arduino wurde ein voreingestelltes Programm im System installiert. Das Programm wurde zur Steuerung der Betriebszeit des DBD-Reaktors, des Ventilators, des Zerstäubers und des Trocknungssystems verwendet. In dieser Studie haben wir den Desinfektionsprozess in drei Stufen für insgesamt 20 Minuten eingestellt. Die erste Stufe war auf einen 5-Minuten-DBD-Reaktor, Ventilator und Zerstäuber eingestellt; die zweite Stufe war ein 5-minütiger DBD-Reaktor und ein Ventilator, der ohne Zerstäuber betrieben wurde; und während der dritten Stufe ist nur das Trocknungssystem für 10 Minuten eingeschaltet. Während des Trocknungszyklus wurde die Temperatur am Ausgang der Heizzone auf 50 °C erhöht, indem Luft mit einem Standard-Computerventilator bei etwa 30 CFM über eine Widerstandsheizspule strömte. Die Spannung an der Spule wurde von einem Arduino-Mikrocontroller überwacht und erhöht oder gesenkt, um die Kammertemperatur auf den voreingestellten 50 °C zu halten.

Die Arbeitslösung der beiden Bakteriophagenviren MS2 (ATCC 15597-B1) und T4 (ATCC 11303-B4) wurde vor dem Test bei 4 °C gelagert. Die Stammkonzentration wurde durch Ausplattieren geeigneter Verdünnungen mit der Overlay-Plaque-Assay-Methode auf LB-Agar22 quantifiziert. Kurz gesagt, Unterlage-Agarplatten wurden aus LB-Agar (MP Biomedicals) hergestellt. Der obere Agar wurde aus demselben Medientyp hergestellt, jedoch mit einer geringeren Agarkonzentration. Die Mischung aus 100 μl MS2- oder T4-Stammlösung, 100 μl Wirt (Escherichia coli MG1655) und 5 ml geschmolzenem Top-Agar wurde auf die Oberseite des Unteragars ausplattiert. Nachdem sich der obere Agar verfestigt hatte, wurden die Platten über Nacht bei 37 °C inkubiert.

In dieser Studie wurden zwei häufig verwendete N95-Atemschutzmasken (3M 1804 und 3M 1860) getestet. Zwei Seiten von 3M 1860 wurden getestet, da sie aus unterschiedlichen Materialien bestanden. N95-Atemschutzmasken wurden in 1 × 6 cm große Streifen geschnitten. 100 μl Virusstamm wurden auf jeden Coupon punktuell beimpft. Die Coupons wurden vor der Behandlung bis zum Trocknen (ca. 3 Stunden) in einem Laminar-Flow-Sicherheitsschrank belassen.

Anschließend wurden die beimpften Coupons von unserem System behandelt und auf mikrobielle Inaktivierung analysiert. Für jede Erkrankung wurden drei bis sechs Replikate der Coupons behandelt. Zur Nebelerzeugung wurden Wasserstoffperoxid (7,8 % und 10 %) oder entionisiertes (DI) Wasser verwendet. Unterschiedliche Konzentrationen von Wasserstoffperoxid wurden aus 35 %igem Wasserstoffperoxid (Arkema) verdünnt. In jedem Experiment wurde auch eine Negativkontrolle durchgeführt.

Nach der Behandlung wurde T4 oder MS2 aus Gesichtsmaskenmaterialien durch Schütteln oder Vortexen in 10 oder 15 ml steriler phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) gewonnen. N95 1860 Außenschicht und 1804 Coupon wurden mit 15 ml PBS extrahiert; Die innere Schicht von N95 1860 wurde mit 10 ml PBS extrahiert. Schütteln für 20 Minuten bei 200 U/min führte zu einer höheren Rückgewinnungseffizienz als Vortexen für 1 Minute, daher wurde in den meisten Experimenten dieser Studie Schütteln verwendet (zusätzliche Materialrückgewinnungseffizienz von MS2 und T4 aus N95-Atemschutzmaskenmaterial).

Der Doppelagar-Overlay-Plaque-Assay wurde verwendet, um die gewonnenen lebensfähigen Viren anhand von Plaque-bildenden Einheiten (PFUs) zu quantifizieren. Es wurden auch keine Behandlungskontrollen durchgeführt, um etwaige Verluste lebensfähiger Viren (PFUs) zu berücksichtigen, die nicht mit der Behandlung in unserem System verbunden sind.

Die Dekontaminationseffizienz wurde mithilfe der folgenden Gleichung bestimmt, wobei Nbehandelt,Durchschnitt der durchschnittliche PFU/Coupon der behandelten Coupons und Nunbehandelt,Durchschnitt der durchschnittliche PFU/Coupon der unbehandelten Coupons ist.

Die chemischen Eigenschaften von PAM wurden durch Messung von pH (Hydrion, Bereich 0–3 und Bereich 0–6), NO3− (Quantofix, Bereich 10–500 mg/L) und NO2− (Quantofix, Bereich 1–80 mg/L) bestimmt ) und Gesamtperoxid (Quantofix, Bereich 50–1000 ppm) mittels handelsüblicher Teststreifen. Während eines Dekontaminationszyklus wurden Teststreifen in der Mitte der Kammer unseres Systems platziert. Nach Abschluss des Zyklus wurden die Teststreifen durch Vergleich der vom Hersteller bereitgestellten Farbtabelle abgelesen. Kondensiertes Wasser wurde gesammelt, indem Aluminiumfolie am Ausgang der Plasmakammer für einen Behandlungszyklus abgedeckt wurde (Nr. 2 in Abb. 1) und dann pH, NO3− und NO2− über Teststreifen gemessen.

Temperatur und Luftfeuchtigkeit wurden mit einem Datenlogger (Elitech GSP-6G) gemessen. Während des Betriebs wurde die Sonde in der Mitte der Kammer gehalten. Ozon wurde unter Verwendung einer UV-Absorption mit schmaler Wellenlänge von 254 nm gemessen (Ozonmonitor Modell 106-M, 2B Technologies, Boulder).

Die Filtrationseffizienz von N95-Atemschutzgeräten wurde vor und nach unterschiedlich vielen Behandlungszyklen (1 oder 20 Zyklen) in unserem System untersucht. Die Partikel wurden in einer 400-l-Edelstahlkammer und durch abwechselndes Zählen der Partikelkonzentrationen zwischen Luftproben (i) direkt aus der Kammer und (ii) durch das Filtermedium erzeugt. Die Entfernungseffizienz von N95-Atemschutzmasken wurde unter Verwendung von Gleichung berechnet. (1):

wobei η die Filterentfernungseffizienz ist; und Cchamber und Cfilter (#/cm3) sind die Partikelkonzentrationen in der Luft aus der Kammer bzw. durch das Filtermedium.

Partikel mit einer Größe von weniger als ~ 1 μm wurden mithilfe von aerosolisiertem Natriumchlorid (NaCl) über ein Aerosolerzeugungssystem erzeugt, das aus den folgenden Elementen in Reihe bestand: einem Zerstäuber mit einer Lösung aus entionisiertem Wasser und Natriumchlorid (NaCl) zur Erzeugung von NaCl-Partikeln (TSI Aerosol Generator 3076). ); ein Diffusionstrockner zur Entfernung von Wasser aus dem Luftstrom (TSI Diffusion Dryer 3062); und einen Neutralisator zur Anwendung einer standardmäßigen, gleichmäßigen Ladungsverteilung (TSI Aerosol Neutralizer 3077A). Die Kammerluft wurde mit Ventilatoren gemischt, so dass die Konzentrationen gleichmäßig waren. Die getesteten Filtermedien befanden sich in einem 3D-gedruckten Filtergehäuse. Die Durchflussraten wurden so ausgelegt, dass die Anströmgeschwindigkeit durch das Filtermedium 10 cm/s betrug. Die Partikel wurden mit einem TSI Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) 3091 gezählt, der jede Sekunde Größenverteilungen über 32 Kanäle im Durchmesserbereich von 0,0056 bis 0,56 μm misst. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist für jedes getestete Filtermedium eine Bestimmung der Filterentfernungseffizienz für die Gesamtpartikelzahl und als Funktion der Partikelgröße (mit Durchmessern zwischen 0,0056 und 0,56 μm). Die Ergebnisse dieses Verfahrens ermöglichen einen Vergleich mit denen eines N95-Tests, bei dem eine Entfernungseffizienz von 95 % für Partikel mit einem Durchmesser von 0,3 μm getestet wird.

Die Datensätze wurden mit SPSS analysiert. Der P-Wert von < 0,05 gilt als signifikant. Bei den Daten handelt es sich um Mittelwerte ± Standardabweichungen (SDs).

In dieser Studie wurden zwei Arten häufig verwendeter N95-Atemschutzmasken getestet. Die Konzentration von MS2 oder T4, die auf N95-Atemschutzmasken geimpft wurde, lag im Bereich von 6 bis 8 log PFU/Stück. Eine Zyklusbehandlung von N95-Atemschutzmasken-Coupons in unserem System mit DI-Wasser PAM zeigte eine 0,5- bis 0,7-log-Reduktion von MS2 und nicht mehr als 0,9-log-Reduktion von T4 (Abb. 2 und ergänzende Materialtabelle S1). Wenn 7,8 % und 10 % Wasserstoffperoxid zur Erzeugung von PAM verwendet wurden, zeigten die Ergebnisse eine höhere Dekontaminationseffizienz sowohl von MS2 als auch von T4. Die Vergleiche der logarithmischen Reduktion zeigen signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungsgruppen mit DI, 7,8 % und 10 % Wasserstoffperoxid (ANOVA, p < 0,05). Das in unserem System mit 7,8 % Wasserstoffperoxid PAM behandelte N95-Atemschutzgerät erreichte über 2-Log zu MS2 und T4. Für 10 %iges Wasserstoffperoxid PAM erreichte unser System eine Inaktivierungseffizienz von 3 Logs, die die Anforderungen der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zur Notfallzulassung (EUA) übertraf. Die EUA der FDA forderte die Validierung der Keimbelastungsreduzierung, die einen Nachweis einer Belastung durch unbehüllte Viren um mindestens 3 Logs erbrachte23. Eine Zyklusbehandlung in unserem System mit 7,8 % Wasserstoffperoxidnebel, aber ohne Plasma, erreichte eine Reduzierung um 1,5 log auf T4 bei N95 1804, während unter gleichen Bedingungen, aber mit Plasma, eine Reduzierung um 2,9 log erreicht werden konnte. Dies bedeutet, dass Plasma allein die Inaktivierungsfähigkeit von Wasserstoffperoxid verbessern kann. Darüber hinaus gab es keinen signifikanten Unterschied zwischen der logarithmischen Reduktion beider Bakteriophagen auf N95 1804 und 1860.

Dekontaminationseffizienz von MS2 und T4 bei N95-Atemschutzgeräten, die mit unterschiedlichen PAM-Zusammensetzungen behandelt wurden. N95 1804, behandelt mit 7,8 % Wasserstoffperoxidnebel ohne Plasma, wurde nicht auf MS2 getestet. Es wurde festgestellt, dass alle Behandlungen MS2 oder T4 bei N95 1804 oder 1860 im Vergleich zur unbehandelten Gruppe signifikant reduzierten (P < 0,05, unabhängiger t-Test).

Zur qualitativen Messung von pH-Wert, NO3−, NO2− und Gesamtperoxid wurden handelsübliche Teststreifen verwendet. Auch wenn die Ergebnisse nicht quantitativ präzise waren, lieferte die Nutzung der kommerziellen Testfahrten einige Einblicke in die Chemie des erzeugten PAM (Ergänzungsmaterial, Abbildung S3). Wenn entionisiertes Wasser als PAM-Quelle verwendet wurde, zeigten die pH-Streifen an, dass der pH-Wert von PAM etwa 1 betrug. Während der pH-Wert 0 betrug, als 10 % Wasserstoffperoxid die PAM-Quelle war. NO3 − und NO2−, gemessen in DI-Wasser PAM, betrugen 500 bzw. 80 mg/L. Leider waren die Ergebnisse von NO3− und NO2− in PAM mit 10 % Wasserstoffperoxid nicht schlüssig, da die Farbe des Nitrit- und Nitratstreifens nach einem Behandlungszyklus verblasst schien. Zusätzlich zur Platzierung dieser Indikatorstreifen im Behandlungsgerät wurden pH, NO3− und NO2− auch unter Verwendung dieser Streifen in Kondenswasser gemessen, das aus durch DI-Wasser erzeugtem PAM gesammelt wurde (Ergänzungsmaterial, Abbildung S3), wobei gezeigt wurde, dass der pH-Wert von das kondensierte Wasser betrug 1,5, NO3− und NO2− waren > 500 bzw. 1 mg/L.

Neben der Chemie der Tröpfchen interessierte uns auch die Konzentration reaktiver Sauerstoffspezies wie Ozon in der Behandlungskammer. Daher wurde die Ozonkonzentration während eines Betriebszyklus auch an zwei Stellen in unserem System gemessen, wobei eine Stelle direkt neben dem DBD-Plasmareaktor lag und die zweite Stelle innerhalb der Behandlungskammer, wo Masken platziert wurden (Abb. 3). Es zeigte sich, dass die Ozonkonzentration in der Kammer drastisch anstieg und in den ersten 10 Minuten auf einem hohen Niveau blieb. Während der nächsten 10 Minuten nahm die Ozonkonzentration ab, da der DBD-Plasmareaktor ausgeschaltet und die Heizung eingeschaltet wurde. Die maximale Ozonkonzentration in der Kammer, in der die Masken platziert wurden, betrug etwa 170 ppm, während die maximale Ozonkonzentration im DBD-Plasmareaktor 215 ppm betrug. Während des Behandlungszyklus sank die Ozonkonzentration nach einem abgeschlossenen Zyklus auf 0,03 ppm.

Gemessene Ozonkonzentration in der Probenkammer (links) und in der DBD-Reaktorkammer (rechts) während eines Betriebszyklus.

Neben Ozon wurden auch Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Kammer gemessen (Abb. 4). In Abb. 4 ist zu sehen, dass während eines Betriebszyklus die Temperatur stetig von unter 30 °C auf 36 °C anstieg, während die Luftfeuchtigkeit während des Betriebs des Verneblers in den ersten 5 Minuten auf bis zu 90 % anstieg. Als der Vernebler nach 5 Minuten ausgeschaltet wurde, sank die Luftfeuchtigkeit am Ende des Behandlungszyklus auf 33 %.

Temperatur und Luftfeuchtigkeit einer Zyklusbehandlung mit DI-Wasser PAM.

Die Filtrationseffizienz von zwei N95-Atemschutzgeräten (3 M 1860) wurde vor jeder Plasmabehandlung getestet. Dann wurde eine dieser Masken in unserem System einen Zyklus lang mit entionisiertem Wasser als Nebelquelle behandelt und die andere wurde 20 Zyklen lang behandelt. Ihre Filtrationseffizienz wurde erneut getestet. Es gab keine erkennbare Veränderung der Wirksamkeit der Maskenentfernung nach 1 oder 20 Behandlungen. Dieses Ergebnis weist darauf hin, dass es zu keiner Verschlechterung des Filtermaterials kommt, die die Entfernung von in der Luft befindlichen Partikeln oder Aerosolen durch das Atemschutzgerät beeinträchtigen würde.

Nach einem Behandlungszyklus in unserem System mit entionisiertem Wasser allein und mit Wasserstoffperoxid wurde eine Fragmentierung des elastischen Materials in den Riemen von 3 M 1804 festgestellt. Im Gegensatz dazu wurde bei 3 M 1860-Bändern selbst nach 20 Zyklen Behandlung in 10 % Wasserstoffperoxid keine Fragmentierung beobachtet. Interessanterweise bestehen die Riemen des 3 M 1860, basierend auf den Angaben auf der kommerziellen Verpackung, aus geflochtenem Polyisopren, während die Riemen des 3 M 1804 aus Polyisopren bestehen. Weitere Studien sind erforderlich, um zu untersuchen, wie sich PAM und andere Desinfektionstechnologien nach wiederholter Sterilisation auf die strukturelle Integrität und Funktionalität von Atemschutzbändern auswirken können.

Das in dieser Studie verwendete gepulste DBD-Plasmasystem ist ein kleines, kostengünstiges, einfach herzustellendes und zu vertreibendes plasmabasiertes Desinfektionsgerät, das für die Wiederverwendung von PSA in einer Pandemieumgebung konzipiert ist und in kurzer Behandlungszeit eine hohe Dekontaminationswirksamkeit erreichen kann. Der aktuelle Behandlungszyklus ist auf 10 Minuten PAM und 10 Minuten Hitzetrocknung festgelegt. Durch die Verwendung verschiedener Zusätze zur Flüssigkeit und/oder die Änderung der Plasmaparameter (z. B. Behandlungszeit oder Plasmaleistung) können höhere Dekontaminationsgrade erreicht werden. Es hat sich gezeigt, dass die höhere Konzentration an Wasserstoffperoxid die Inaktivierungsfähigkeit erhöht, allerdings muss die Qualität der N95-Masken nach der Behandlung getestet werden, um sicherzustellen, dass die Filtrationseffizienz nicht beeinträchtigt wird. Auch eine niedrigere Konzentration von Wasserstoffperoxid, beispielsweise 3 %, sollte in Zukunft in Betracht gezogen werden, da es für die breite Öffentlichkeit verfügbar ist.

Vor unserer Studie stellte das National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) fest, dass ultraviolette keimtötende Bestrahlung (UVGI) und dampfförmiges Wasserstoffperoxid (VHP) als potenzielle Methoden zur Dekontamination von N95-Atemschutzmasken vielversprechender sind24. UVGI mit unterschiedlichen Einstellungen wurde in früheren Untersuchungen getestet, indem verschiedene Mikroorganismen auf N95-Atemschutzgeräten behandelt wurden, wie z. B. Bacillus subtilis-Sporen25, Influenzaviren8, SARS-CoV-1 und SARS-CoV-226. UVGI verfügt über eine erhebliche Inaktivierungsfähigkeit, kann jedoch durch den Schatteneffekt beeinträchtigt werden, der durch die mehreren Schichten der N95-Atemschutzmasken entsteht8. Unterdessen kann UVGI einen erheblichen Einfluss auf die Riemenspannung und Festigkeit der Schichten einiger N95-Maskenmodelle haben7. Da es sich bei unserem System um eine nicht-thermische Desinfektionsmethode handelt und die Temperatur während des Dekontaminationszyklus unter 36 °C liegt, kann eine durch Hitze (bei 80 °C) verursachte Abnahme der Filtrationsleistung vermieden werden7.

Der Mechanismus, wie PAM Mikroorganismen inaktiviert, ist nicht klar, aber frühere Untersuchungen gingen davon aus, dass PAM als konzentriertere Form von PAW wirkt, die aufgrund ihrer großen Grenzflächenoberfläche plasmareaktive Spezies effizienter an die Oberfläche transportieren kann16. In dieser Studie fanden wir hohe Nitratkonzentrationen, die auf die Bildung von Peroxynitrit hindeuteten, das nachweislich zur mikrobiellen Inaktivierung beiträgt27. Darüber hinaus haben wir in dieser Studie gezeigt, dass Plasma die antimikrobielle Wirksamkeit von Wasserstoffperoxid steigert, was mit früheren Untersuchungen übereinstimmt21,28. Ein vermuteter Grund dafür, dass Plasma die Reaktivität von Wasserstoffperoxid steigern kann, ist die Bildung von Hydroxylradikalen (OH*), wenn sich Wasserstoffperoxid mit Ozon verbindet, was als Peroxonprozess bezeichnet wird29. Wie in Abb. 3 dargestellt, ist das Plasmasystem in der Lage, erhebliche Mengen Ozon zu produzieren, die die folgende Peroxonreaktion antreiben können:

Zusätzlich zu dem in dieser Studie verwendeten Gerät gibt es eine Reihe anderer Desinfektionsgeräte auf Ozon- und Wasserstoffperoxidbasis, die nachweislich N95-Masken effektiv dekontaminieren, wie z. B. STERRAS 100NX (Wasserstoffperoxid-Gasplasma), Bioquell Z- 2 (VHP), Sterizone VP4 (verdampftes Wasserstoffperoxid-Ozon-Hybrid) und Clēan Flow Mini (UVC, Wasserstoffperoxid, Ozon-Hybrid)30. Diese Geräte, mit Ausnahme von Clēan Flow Mini, benötigen eine hohe Konzentration an Wasserstoffperoxidlösung (30–59 %)31,32. Obwohl Wasserstoffperoxid-Gasplasma, das 59 % Wasserstoffperoxid in seiner Plasmaphase verwendet, nachweislich eine starke Inaktivierungswirkung hat (durchschnittlich 5,6-log-Reduktion von MS2), wurde auch gezeigt, dass seine Verwendung die Gesichtsmaske verringern kann Filtrationseffizienz nach nur 3 Zyklen33. Ein weiterer Nachteil der Notwendigkeit hoher Wasserstoffperoxidkonzentrationen sind die hohen Kosten sowie Richtlinien, die den Transport solch konzentrierter Lösungen stark regulieren. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass es möglich ist, ein Plasmasystem mit niedrigeren Wasserstoffperoxidkonzentrationen zu entwickeln, das eine ausreichende Virusinaktivierung erreichen kann, ohne die Filtrationseffizienz der N95-Maske zu beeinträchtigen.

Obwohl die Ergebnisse dieser Studie darauf hinweisen, dass PAM zur effektiven Sterilisierung von N95-Masken für ihre mögliche Wiederverwendung verwendet werden kann, gab es in unserer Studie einige Einschränkungen. Beispielsweise haben wir die Inaktivierungseffizienz nur an Filtermaterialien von zwei Arten von N95-Atemschutzmasken getestet. Andere Materialien von Atemschutzmasken wie Riemen, Klammern, Nasenklammer und Nasenschaum wurden nicht getestet. In der Zwischenzeit sollten in Zukunft auch andere PSA wie chirurgische Masken, Isolationskittel, Schutzbrillen und Gesichtsschutz getestet werden. Diese PSA bestehen aus verschiedenen Materialien. Gesichtsschutzschilde werden beispielsweise aus Polycarbonat (PC)- und Polyethylenterephthalat (PET)-Platten hergestellt34. Chirurgische Masken bestehen normalerweise aus dem gleichen Material wie N95-Masken, nämlich Polypropylen (PP)35. Einweg-Isolationskittel bestehen aus synthetischen Fasern (z. B. Polypropylen, Polyester, Polyethylen), während wiederverwendbare Kittel typischerweise aus 100 % Baumwolle, 100 % Polyester oder Polyester/Baumwoll-Mischungen bestehen36. In dieser Studie wurden zwei Arten von unbehüllten bakteriellen Phagen MS2 und T4 getestet, aber in Zukunft sollten auch Ersatzstoffe mit einer ähnlicheren Struktur wie SARS-CoV-2 oder sich selbst sowie grampositive Bakterien mit stärkerer Resistenz gegen Desinfektionsmittel in Betracht gezogen werden. Zusätzlich zum Testen dieser Technologie an weiteren Viren oder Bakterien auf verschiedenen Materialien müssen weitere Experimente durchgeführt werden, um die chemischen Eigenschaften von PAM zu bestimmen. Aufgrund der Komplexität von Plasma- und Flüssigkeitsgrenzflächenreaktionen und der geringen erzeugten Tröpfchengrößen gibt es derzeit nur ein qualitatives Verständnis der Chemie und der chemischen Reaktionsprozesse, die in PAW und PAM ablaufen, aus theoretischer Modellierungsperspektive37,38. Es müssen weitere experimentelle Arbeiten durchgeführt werden, um diese Theorien zu verifizieren oder zu validieren und unser Verständnis der Chemie innerhalb von PAM und ihrer weiteren Nutzung für die Sterilisation von Materialien zu verbessern.

Das in dieser Studie verwendete Sterilisationssystem ist eine plasmabasierte Technologie, die Oberflächen-DBD-Plasma und Wasser oder Wasserstoffperoxidnebel kombiniert. Es kann bei N95-Atemschutzgeräten, die in einem Zyklus mit 7,8 % Wasserstoffperoxid PAM behandelt wurden, eine Reduzierung von MS2 und T4 (zwei nicht umhüllte Viren) um mindestens 2 Logs und eine Reduzierung um mindestens 3 Logs mit 10 % Wasserstoffperoxid erreicht werden. Unterdessen gab es keine signifikante Verschlechterung der Filtrationseffizienz von 3M N95 1860 und 1804, behandelt nach 20 Zyklen mit entionisiertem Wasser, 7,8 % und 10 % Wasserstoffperoxid PAM. Obwohl wir Hinweise darauf haben, dass ROS und RNS in PAM vorhanden sind, sind weitere Studien erforderlich, um den Einfluss dieser chemischen Spezies auf Inaktivierungsmechanismen bei der Verwendung von PAM zur Desinfektion zu bestätigen. Zwar gibt es Desinfektionstechnologien, die ausschließlich Wasserstoffperoxidnebel verwenden, unsere Ergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass Plasma die Inaktivierungswirksamkeit von Wasserstoffperoxidnebel verbessern kann. Die kurze Betriebszeit und die geringe Größe unseres Geräts verleihen unserem System ein kommerzielles Potenzial.

Alle für die Studie relevanten Daten sind im Artikel enthalten oder als ergänzende Informationen hochgeladen.

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Diese Arbeit wird teilweise von der Defense Logistics Agency SUBNET Phase II SBIR (Vertragsnummer: SP4701-20-C-0028) und dem NSF IUCRC C-PEAB-Projekt mit dem Titel „RAPID: Cold Adaptive Atmospheric Plasma Decontamination of COVID-19“ unterstützt.

Abteilung für Bau-, Architektur- und Umweltingenieurwesen, Drexel University, Philadelphia, PA, USA

Jinjie He, Michael Waring und Christopher M. Sales

C. & J. Nyheim Plasma Institute, Drexel University, Camden, NJ, USA

Jinjie He, Alexander Fridman, Alexander Rabinovich und Christopher M. Sales

Fakultät für Maschinenbau und Mechanik, Drexel University, Philadelphia, USA

Alexander Fridman und Alexander Rabinovich

AAPlasma LLC, Philadelphia, PA, USA

Charles Bailey und Gregory Friedman

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JH schrieb den Hauptmanuskripttext mit Hilfe von CS, GF und MWJH und MW führte das Experiment durch. CS, GF, AR und AF betreuten das Projekt. GF und CB konzipierten die Studie und waren für die Gesamtleitung und Planung verantwortlich. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jinjie He.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

He, J., Waring, M., Fridman, A. et al. Durch Plasma erzeugter reaktiver Wassernebel zur Desinfektion von N95-Atemschutzmasken, die mit MS2- und T4-Bakteriophagenviren beladen sind. Sci Rep 12, 19944 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23660-5

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Eingegangen: 31. Mai 2022

Angenommen: 03. November 2022

Veröffentlicht: 19. November 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23660-5

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