Dans une étude récente publiée dans PNASles chercheurs ont caractérisé la mouillabilité des couches fibreuses des respirateurs N95 ou des masques faciaux à l’aide de goniomètres à angle de contact (CA).
Sommaire
Arrière plan
La mobilité des fluides est omniprésente dans la nature, donnant naissance à des gouttelettes de différentes tailles, et des surfaces artificielles qui ressemblent à la mobilité des fluides ont été conçues dans le passé. Des gouttelettes de fluide de taille millimétrique sont fréquemment utilisées pour caractériser la mouillabilité, même pour l’utilisation d’un masque facial, bien que la taille des gouttelettes ciblées pour de telles utilisations se situe entre les millimètres et les micromètres.
Contrairement aux gouttelettes de grande taille, les micro-taille peuvent interagir de manière sensible avec les fibres en contact et sont susceptibles de s’évaporer lorsqu’elles sont utilisées pour les masques faciaux. Les données sur la taille des gouttelettes signalées dans les études précédentes étaient faussées même après l’impact mondial de la maladie à coronavirus 2019 (COVID-19). Les caractéristiques de mouillage à un seul niveau de microfibre n’ont pas été complètement comprises.
À propos de l’étude
Dans la présente étude, les chercheurs ont présenté un paysage multi-échelles de mobilité et de mouillabilité en suivant un régime de test exclu dans les études précédentes et en utilisant un brin de microfibre PP non tissé uniquement pour caractériser la mouillabilité, en étendant le régime de test à la valeur du rapport caractéristique (D) de 0.1.
La valeur D, obtenue en sélectionnant Dré (diamètre des gouttelettes) et DF (taille caractéristique des structures sous-jacentes) en tant que numérateurs et dénominateurs, respectivement, représentaient une distribution asymétrique (D> 50) pour les données des études précédentes. La mouillabilité des gouttelettes de virus infectieux sur les couches fibreuses des masques N95 a été considérée pour D allant de 0,1 à 100. Elle a étendu le régime pour impliquer de vraies distributions de gouttelettes infectieuses et les phénomènes dynamiques de mouillage par celles-ci. Des réductions abruptes de CA ont été évaluées dans le régime de D inférieur à 10 en raison de l’effet de coussin d’air réduit à l’échelle de fonctionnement.
L’équipe a proposé une voie simple pour supprimer le mouillage et l’adhérence des gouttelettes en explorant les avantages du coussin d’air dans le maintien des caractéristiques de surface hydrophobes extrinsèques au niveau de la fibre individuelle. L’équipe a sculpté des structures nanomurales dans les fibres vierges du masque facial, ce qui a augmenté le démouillage et l’hydrophobicité même lorsque des valeurs D de 0,1 étaient prises en compte. La couche fibreuse externe du masque N95 commercial était la région étudiée pour la présente étude.
Quatre OF (cadres d’observation) ont été définis pour la couche fibreuse externe du masque facial N95 en modifiant les échelles de taille avec un facteur de 0,1 de sorte que OF # 1, 2, 3 et 4 aient été dimensionnés 5,0 × 5,0 mm2500,0 × 500,0 μm250,0 × 50,0 μm2et cinq sur cinq × cinq μm2, respectivement. L’équipe a mesuré les valeurs CA des gouttelettes avec tous les OF, pour la couche fibreuse externe des masques N95 à face immaculée et les couches à structure nanomurale par gravure au plasma, après quoi FE-SEM (microscopie électronique à balayage à émission de champ) a été réalisée pour des évaluations morphologiques.
Par la suite, l’équipe a caractérisé la couche externe vierge au niveau multi-échelle. En outre, pour éviter des conditions expérimentales instables en raison d’une évaporation rapide, la mouillabilité des gouttelettes pour les OF a été caractérisée et comparée dans des conditions d’humidité élevée à l’aide d’un SEM environnemental (E-SEM,> 95% d’humidité). Des nanoparticules ont été utilisées comme particules virales modèles pour évaluer la zone de contamination après évaporation.
De plus, l’équipe a sculpté des fibres nanométriques immaculées pour déshumidifier les gouttelettes infectieuses dans 100> D> 0,1 et a comparé la mobilité des fluides pour D comprise entre 0,1 et 2,0. Les valeurs CA étaient basées sur le rayon des gouttelettes (r) et des tests d’impact ont été effectués en faisant varier la taille et la vitesse des gouttelettes. Une analyse par microscopie confocale à balayage laser (LSCM) a été réalisée pour évaluer les comportements de mouillage.
Résultats
Le paysage multi-échelles pour les couches fibreuses immaculées des masques N95 a montré une transition abrupte de mouillage des gouttelettes dans le cas de CA <90, 0 ° lorsque la taille des gouttelettes et les diamètres des microfibres étaient similaires pendant l'évaporation. La transition de mouillage pourrait contaminer les surfaces lisses des fibres en considérant des valeurs D comprises entre 0,1 et 1.
L’équipe a présenté une approche pour éviter la contamination des surfaces en augmentant l’hydrophobicité, pour y parvenir, l’existence simultanée de phases de microfibres amorphes et cristallines a été explorée par gravure au plasma, conduisant à l’enrobage de la structure nanowall autour de chaque fibre. Le rembourrage d’air dans les milieux fibreux structurés a réduit la transition du mouillage.
De plus, le coussin d’air a considérablement réduit l’adhérence des gouttelettes, ce qui est essentiel pour réduire la contamination par les gouttelettes de virus infectieux des surfaces respiratoires N95. Un comportement de démouillage a été observé avec OF # 1, tandis que les gouttelettes de petite taille ont montré un mouillage dans les trois OF restants en raison d’un moindre coussin d’air. Des valeurs CA réduites ont été largement observées dans OF#3.
De plus, l’équipe a observé la mouillabilité dynamique des gouttelettes lors de l’évaporation sur une fibre, où la gouttelette de fibre vierge a été soudainement épinglée. Par la suite, une contamination induite par la contrainte de cisaillement s’est produite dans la zone de contact pour les couches fibreuses vierges. L’épinglage a été observé avec des valeurs de CA de 75°.
Les tests d’impact pour les masques faciaux fibreux OF n° 1 et n° 2 et les OF à une fibre n° 3 et n° 4 ont montré quatre scénarios possibles après le contact d’une gouttelette avec les surfaces d’essai, y compris le dépôt, la rupture avec dépôt, le rebond complet ou la rupture avec rebond. . Le dépôt et la rupture avec dépôt ont été fréquemment observés parmi les couches fibreuses vierges, tandis que la rupture et le rebondissement ont été couramment observés pour les fibres nanostructurées. De plus, plusieurs gouttelettes s’empilaient sur des couches de masque facial immaculées, alors que chaque gouttelette rebondissait de manière cohérente contre les couches structurées à la nano-paroi.
Les valeurs CA pour la couche vierge dans OF#1 et OF#2 étaient respectivement de 124° et 110°. Les valeurs CA pour la couche de masque facial vierge et le brin de microfibre unique étaient comparables. La gouttelette est restée sphérique quelle que soit sa taille, ce qui réduit la probabilité d’immobilisation du virus puisqu’une telle contamination se produit par des contraintes de cisaillement induites par l’épinglage post-évaporation.
Conclusion
Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont montré un paysage à plusieurs échelles de mouillabilité et de mobilité des gouttelettes sur les masques N95 et leurs dérivés structurels en tailles de gouttelettes millimétriques à micrométriques.
Les résultats ont montré une approche de preuve de concept fiable, pratique et évolutive utilisant les méthodes de gravure au plasma existantes pour améliorer de manière significative la répulsion des fibres avec des structures nanowall et réduire la probabilité d’adhésion des gouttelettes avec une hydrophobicité supérieure, même à des microéchelles. L’approche aiderait les développeurs à garantir que les particules virales infectieuses sont efficacement éliminées des surfaces des masques.
