ウイルスおよび細菌のバイオエアロゾルを使用した医療用および地域用フェイスマスクの濾過効率

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7115 (2023) この記事を引用

375 アクセス

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

呼吸器系ウイルスや細菌の空気感染を防ぐために、地域社会ではフェイスマスクの着用が推奨されることがよくあります。 私たちの最初の目的は、医療用マスクの濾過性能を決定するために使用される細菌濾過効率 (BFE) の標準的な測定と同様の方法でマスクのウイルス濾過効率 (VFE) を評価するための実験台を開発することでした。 次に、濾過品質を高めた 3 つのカテゴリのマスク (2 種類のコミュニティ マスクと 1 種類の医療用マスク) を使用して、測定された濾過性能の範囲は BFE の 61.4 ～ 98.8%、VFE の 65.5 ～ 99.2% でした。 細菌とウイルスの濾過効率の間に強い相関関係 (r = 0.983) が、すべてのタイプのマスクおよび 2 ～ 3 µm 範囲の同じ液滴サイズで観察されました。 この結果は、細菌性バイオエアロゾルを使用してマスクのろ過を評価し、ウイルス性バイオエアロゾルに対するろ過品質に関わらずマスクの性能を推定するEN14189:2019規格の妥当性を裏付けています。 実際、マスクの濾過効率（マイクロメートルの飛沫サイズと短いバイオエアロゾル曝露時間の場合）は、飛沫に含まれる感染因子のサイズではなく、主に浮遊飛沫のサイズに依存すると思われます。

エアロゾル粒子の伝播は、呼吸器感染症の主な伝播経路の 1 つです。 これは、呼吸、咳、会話、歌、くしゃみなどのエアロゾルを生成する呼気イベント中に放出される感染性エアロゾルによって、病原微生物（細菌またはウイルス）が発生源から人に感染することとして定義されます1。 たとえば、1 回のくしゃみで最大 40,000 個のエアロゾル粒子が放出される可能性があります2。 物理的な観点から見ると、「エアロゾル」という用語は、気体中に浮遊し、比較的遅い沈降速度を有する固体または液体の浮遊粒子の不均一混合物に相当します3（つまり、通常は空気力学的直径が 100 μm 未満の浮遊粒子）。しかし、何十年にもわたる医学文献では、直径 5 μm 未満の「浮遊」粒子と直径 5 μm を超える「飛沫」との間の、恣意的であるように見える (そしてエアロゾル科学者に誤解を招く) 区別が頻繁に見られます3。伝統的な医学用語から発せられたこの用語は、いわゆる「空気感染」と「飛沫」感染の間の科学的根拠のない用語の区別を生み出すことがあります。一時的な現象）、主に（体の分泌物や排泄物からの）病原体を含む飛沫によって構成されているため、私たちはサイズに関係なく、浮遊液体粒子を常に呼吸しています4。

したがって、物理的な言い方をすれば、呼吸器病原体の感染は、両方の場合（「空気感染」と「飛沫」感染）、さまざまなサイズのエアロゾル粒子によって行われます5。 言い換えれば、病原体の感染が「空気感染」と呼ばれるか「飛沫」と呼ばれるかに関係なく、すべての場合においてエアロゾルによるもののみであるということです。 しかし、エアロゾル粒子の物理的特性（空間と時間で変化する空気力学的直径を含む）に応じて、伝播のモードと制御手段が異なる可能性があることは事実です。 一方で、感染性病原体が主に「飛沫」と呼ばれる急速に沈降する呼吸器系エアロゾル粒子によって広がる場合、主な感染制御策は、直接接触、物理的距離の削減、またはフェイスマスクの使用を減らすことになります。 一方、主に「空気感染」と呼ばれる感染性病原体の場合は、室内では常に部屋の換気や空気ろ過、マスクの品質やフィット感に注意するなどの予防策が必要です。

さらに、空気感染病原体（インフルエンザ、結核、麻疹、コロナウイルスなど）による感染の予防は、口鼻カバーの使用によって促進できることもよく知られています3。 したがって、現在、医療スタッフ、伝染病患者、そして場合によっては一般住民に対する呼吸器疾患の感染を防ぐために、フェイスマスクの使用が推奨されています。 特に他人を守るという観点からは、マスクを着用しないよりはマスクを着用した方が良いのは明らかです。 マスクを着用すると、マスク着用者が放出するウイルス飛沫の比較的大部分が保持されるため、バイオエアロゾルの放出に対して高度な保護が提供されます。 マスクは主に、呼気時に病原体を含んだマイクロメートルサイズのエアロゾル粒子を保持するように設計されていますが、吸入時にある程度の自己防御機能も提供する可能性があります（呼気と吸入の間で液体エアロゾル粒子が収縮するため、通常ははるかに少なくなります）。 すべてを考慮すると、フェイスマスクは周囲の人々への感染リスクの低減に大きく貢献し、特に病原体がより大きなエアロゾル粒子によって伝染する場合には、マスク着用者の感染リスクも低減する可能性があります。 たとえば、結核菌の病原体によって引き起こされる結核の伝染についての 19 世紀の理解は、鼻と口を覆う最初のマスクを開発することによって結核の蔓延を制限するのに役立ちました 6,7。 結核に感染した患者が着用するフェイスマスクは、非感染患者への感染率を大幅に低下させる可能性があることが十分に実証されています8。

最近では、コロナウイルス（COVID-19）の世界的なパンデミックにより、ウイルス性呼吸器疾患の伝播の問題が提起されています。 パンデミックの初めに、最初の疫学およびウイルス学的研究は飛沫感染と表面感染を支持しました。 その後、換気の悪い屋内環境における重症急性呼吸器症候群コロナウイルス 2 (SARS-CoV-2) の主な感染経路の 1 つは、生存可能なウイルス粒子を含むエアロゾル微粒子による感染であることが、多数の研究で示されています 1,9,10。 空気感染症に関する知識を考慮して、疾病管理予防センター (CDC) と世界保健機関 (WHO) は早い段階で、SARS-CoV-2 感染のリスクを軽減するために普遍的なマスクの使用を提唱しました 11。 マスクは、SARS-CoV-2 を含む感染性の可能性のある呼吸器飛沫の気流への吐き出しを制限することで他人を防ぐことが示されていますが、多くの場合、着用者を保護することもできます。 このように、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の出現により、マスクの有効性が確認されました。 実際、蓄積された証拠は、フェイスマスクが重要なバリアであり、特に無症候性または無症候性の人において、呼気中の感染性ウイルスの数を減らすことを示しています12、13、14。 Bagheriらによる研究。 (2021) は、非感染者がサージカルマスクを着用し、感染者がマスクなしで話す場合、この場合に達成される最大リスクは、非感染者の 30 分後に 90% であることを示しました。 ただし、二人ともサージカルマスクを着用している場合、1 時間経っても最大リスクは 30% 未満です15。

フェイスマスクのさまざまなカテゴリの中で、医療用フェイスマスク（MFM）は、着用者から環境へのバイオエアロゾルの拡散を防ぐために特別に設計された使い捨て医療機器です。 これらは欧州規格 EN14683:201916 などの特定の規格によって規制されているため、特に細菌濾過効率 (BFE) の観点から性能要件を満たす必要があります。 MFM は BFE 値に応じて 2 つのタイプに分類されます。 タイプ I マスク (BFE ≥ 95%) およびタイプ II/IIR マスク (BFE ≥ 98%)。 対照的に、コミュニティフェイスマスク（CFM）または布マスクにはさまざまなデザインがあり、多種多様な生地で作られていますが、MFMほど効果的ではありません。 CFM は、高度な衛生保護が必要な環境で使用するように設計されていません。 CFM について行われた数多くの研究により、生地のさまざまな特性 (材料の種類、生地の種類 (織物または編物)、繊維の特性) がその濾過に影響を与える可能性があることが示されています 17,18。 CFM は単なる飛沫防止マスクと考えることができ、通常は洗浄して再利用します。 厳密に規制され、認定されている MFM とは異なり、CFM は標準化されておらず、厳密に規制されていません。 現在、CFM は一般大衆を対象としており、3 ± 0.5 μm のサイズの粒子を濾過する能力に応じて 2 つのカテゴリに分類されています。 AFNOR SPEC S76-001 要件 19 によれば、カテゴリー 1 の CFM は 90% を超える濾過効率を備えている必要があり、カテゴリー 2 の CFM は 70% を超える濾過効率を備えている必要があります。

マスクの濾過は、重力沈降、慣性衝突、遮断、拡散、静電引力などのさまざまなメカニズムに基づいています20。 マスクのフィルタリングのパフォーマンスには多くの要因（主にマスクの種類、CFM と MFM など）が大きく影響するため、マスクへのバイオエアロゾルの浸透メカニズムを解明することは非常に重要です。 最初の主要なメカニズムは、病原体を含んだ液滴をフィルター材で直接濾過することです。 この最初のステップは、主に、特定のフィルター材料設計における浮遊液滴のサイズと速度に依存します。 しかし、汚染されたエアロゾル液体粒子がマスクの外面に到達したとき、その表面が最初にマスクに含まれていた病原体を破壊しなければ、呼吸中に微生物がさまざまなメカニズム（毛細管を含む）によってマスクに侵入する可能性があります20。 この 2 番目のステップは、特定のフィルター材料設計に対して露光時間が十分に長い場合、主にマスクの外面に蓄積された病原体のサイズと数に依存します。 したがって、特にマスクの外面が汚染されたエアロゾル粒子にさらされた場合、マスクはしばしば病原体捕集器となる可能性があります。 ウイルスやバクテリアはマスクの表面やマスクの繊維構造に残留する可能性があるため、フィルター材による液体エアロゾル粒子の濾過が完了した後にウイルスや細菌がマスクを通って移動することは明らかに危険であり、望ましくないことです。達成。

したがって、マスクを介した微生物の侵入および伝播能力を測定することは、マスクによって提供される保護を評価するための大きな課題であると思われます。 フィルタ材の表面でのエアロゾル粒子のろ過の研究だけにとどまるのではなく、浮遊液体ベクトルに含まれる病原体のマスクを通過する輸送のプリズムを介してバイオエアロゾルのろ過を分析することが不可欠です。 この研究は、固定サイズのエアロゾル液体粒子 (空気力学的直径 2 ～ 3 μm の範囲内) と、さまざまな品質のマスク (MFM、優れた性能を備えた CFM、およびろ過効率の低い CFM）、病原体サイズ（100 nm のウイルスまたは 1 μm の細菌）がマスクの透過に及ぼす影響。 言い換えれば、MFM は細菌および非ウイルスのバイオエアロゾルを使用して評価されるため、この研究により、細菌濾過効率 ( BFE）およびウイルス濾過効率（VFE）。

この研究では、3 種類のマスクがテストされました。2 つの CFM (Oriol & Fontanel 社、CFM タイプ 1、フランス、CJ Textile 社、CFM タイプ 2、フランス)、および 1 つの MFM (Bioserenity 社、タイプ IIR、フランス) (表) 1)。 測定は、すべての層を含む最小サイズ 100 mm x 100 mm のマスク サンプルに対して実行されました。 EN14683:2019 規格に従って、マスクはテスト前に大気平衡に達するまで 21 ± 5 °C、相対湿度 85 ± 5% で 4 時間プレコンディショニングされました。 実験は、マスクの内側が浮遊病原体と接触する状態で、マスクの種類ごとに少なくとも 5 つのサンプルで実行されました。

顕微鏡分析は、C Plan レンズモデルを備えた Leica DM LB 顕微鏡を使用して行われました。 画像は Bresser MikroCam SP 5.0 を使用して 4 倍の倍率で撮影されました。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、ＪＥＯＬ ＪＳＭ－６５００Ｆを使用してマスクの表面に対して実行された。 サンプルを両面カーボンテープで真鍮支持体に取り付け、14 nm の金 (Quorom Q 150R ES) でコーティングしました。 画像はビーム加速電圧 5 keV で撮影されました。 不織布材料（MFM のメルトブローンなど）の場合、繊維はランダムに配向されています。 対照的に、織物および編物素材 (CFM の層など) には、互いに絡み合った糸 (繊維の束) が含まれています。 細孔は織編物では糸の隙間に形成されますが、不織布フィルターでは個々の繊維間の小さな空間によって形成されます。 糸の間の空間は、コミュニティフェイスマスクの孔であると考えられました。 コミュニティフェイスマスクの孔の形状とサイズは均一ではありませんでしたが、各糸間孔の最長寸法を測定することにより、糸間孔のサイズに関する定量的情報を抽出しようとしました。 これらの測定により、各コミュニティ フェイス マスクの糸間の細孔のサイズの推定値が得られました (表 1)。

BFE の評価は、以前に開発され検証された実験手順を使用して、EN14683:2019 規格 (6) に従って実行されました 17、21、22。 使用したテストベンチは規格の仕様に準拠しており、若干の変更 (エアロゾルチャンバーのサイズなど) を加えましたが、CE マーキング取得のための測定の有効性を証明する外部微生物による認定を取得することを妨げるものではありませんでした。 実験のセットアップを図 1 に示します。簡単に説明すると、既知量の黄色ブドウ球菌 (希釈前 106 UFC/mL の ATCC 6538) を含むエアロゾル流が、振動メッシュネブライザー (E-flow、PARI GmbH、シュタルンベルク、ドイツ）。 次に、バイオエアロゾルを、真空ポンプを使用して、28.3 L min-1 の一定流量でガラス エアロゾル チャンバー (長さ 445 mm、外径 60 mm) を通して吸引しました。 マスクサンプルは、エアロゾル化チャンバーと実行可能な 6 段階の Andersen Cascade Impactor (ACI、ティッシュ環境、米国マイアミ) の間に取り付けられます。 ACI は、バイオエアロゾルを収集し、その慣性と結果として空気力学的直径に応じて 6 つのサイズ画分 (第 1 段階の 7 μm から第 6 段階の 0.65 μm までの範囲) に分類しました。 インピンジャー プレートとして使用される寒天培地を含む 90 mm のプラスチック ペトリ皿を各 ACI ステージに配置し、空気力学的サイズ フラクションごとに浮遊細菌を収集します。 EN14683:2019 規格では、BFE 規範手順に 2 つの主な仕様が課されています: (i) すべての ACI ステージの平均 CFU 数は 1700 ～ 3000 CFU、(ii) 平均粒子サイズ (MPS) は 3.0 ± 0.3 µm。 明らかに、これら 2 つのエアロゾル仕様 (MPS と総 CFU) は、ポジティブ コントロールの実行にのみ有効です (マスクの存在下でろ過が非常に効率的であれば、細菌がまったく通過しないか、ほとんど細菌がマスクを通過しない可能性があり、頻繁に発生するためです)。マスクしてカスケードインパクターに到達し、MPS と総 CFU を測定します。 MPS パラメータは、式 1 に従って 50% 有効カットオフ直径を使用して計算されます。 (1)。

EN14683:2019 規格に準拠した BFE 実験セットアップ。 (1) ネブライザー、(2) エアロゾルチャンバー、(3) サンプリング材料、(4) カスケードインパクター、(5) フィルター、(6) 流量計、(7) 真空ポンプ。

平均粒子径 (MPS) の計算。 (Px, x = [1–6]) は 6 段階のそれぞれの 50% サンプリング効率に対応する粒子直径であり、(Cx, x = [1–6]) は各段階から得られた生存可能な粒子の数です。シャーレは6枚。

1 種類のマスクの測定サイクルには、8 回の連続したテストが含まれます。 最初に、ACI とエアロゾル チャンバーの間にマスクを配置せずにポジティブ コントロールを実行します。 このポジティブコントロールは、各テストで使用された生存粒子の数を決定するために使用されました（したがって、EN14683:2019 規格で要求される仕様が 1700 ～ 3000 CFU の範囲内であることを確認するために）。 次に、ACI カスケード インパクターの入口で実験ごとにマスクを交換し、マスク (つまり、テスト サンプル) の濾過効率を測定するために 5 つの実験が実行されます。 次に、第 2 のポジティブコントロール実験が実行されます。 最後に、8 回連続実験のこのサイクルは、病原体を添加せずに空気を 2 分間通過させるネガティブ コントロールで終了します (これは、ポジティブ ラン中に細菌/ウイルスが付着していること、およびテスト サンプルが汚染されていないことを確認する汚染チェックとして機能します)。バイオエアロゾル源からのみ）。 8 回の実験で ACI の各段階で細菌を捕捉したペトリ皿を 37 ± 2 °C で 22 ± 2 時間インキュベートしました。 ＣＦＵは、自動コロニーカウンターＳｃａｎ ４０００（Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ、サン・ノム・ラ・ブルテーシュ、フランス）を用いて計数した。

VFE テストは標準化されたテスト方法ではありませんが、EN14683:2019 規格に記載されている BFE テスト (および「細菌濾過効率 (BFE)」の実験方法論) を応用したものです。 BFE テストでは、黄色ブドウ球菌の代わりに phi11 バクテリオファージ (リヨン大学、Inserm の GIMAP チーム、国際感染症研究センターの実験室ストック) を使用して濾過効率を測定しました。 １０８ＰＦＵ／ｍＬ（プラーク形成単位のＰＦＵ）のｐｈｉ１１のＰＢＳ溶液中の懸濁液を、振動メッシュネブライザー（Ｅ−ｆｌｏｗ、ＰＡＲＩ ＧｍｂＨ）を使用してエアロゾル化した。 次に、図 1 に示すように、BFE テストに使用したのと同じ実験台を使用して VFE テストを実行します。簡単に説明すると、ウイルス バイオエアロゾルは真空ポンプを使用してガラス エアロゾル チャンバーと ACI を通して吸引され、マスク サンプルはそれらの間に取り付けられます。エアロゾル化チャンバーとACI。 エアロゾル化したバクテリオファージを、ACI ステージに配置されたリン酸緩衝生理食塩水 (21-040-CV、Corning、米国マナサス州) で満たされたペトリ皿 (ペトリ皿あたり 15 mL の PBS) に捕捉しました。 ACI の各段階で収集されたウイルス (中和されていない) の生存率の評価は、黄色ブドウ球菌 RN4220 (phi11 バクテリオファージに感受性のある細菌株) を満たしたコロンビア血液寒天プレート上の溶解パッチを計数することによって実行されます。 次いで、プレートを37℃で22±2時間インキュベートする。 PFU は、ウイルス エアロゾルの粒子または液滴の数を表します。 各マスク タイプの測定サイクルと MPS の計算は、BFE 法で説明したように実行されました。 PFU は手動でカウントされました。

マスクの濾過効率 (FE) はパーセンテージで表され、次の式に従って計算されます。 (2)。 ＦＥパラメータは、マスク材料を通過するＢＦＥ試験のＣＦＵ数（それぞれ、ＶＦＥ試験のＰＦＵ数）を測定することによって決定され、ＡＣＩの入口にフィルタ材料が配置されていない陽性対照と比較された。

ここで、FE は濾過効率、C は合計 6 つのプレートカウントの 2 回の陽性実験の平均、T は各試験サンプルの 6 つのプレートカウントの合計です。

統計分析は、GraphPad Prism 9.4.1 (GraphPad Software、米国カリフォルニア州サンディエゴ) を使用して実行されました。 Sidak 事後テストによる二元配置分散分析を使用して、BFE テスト方法と VFE テスト方法の濾過効率の結果に有意な差があるかどうかを評価しました。 P 値 < 0.05 は有意とみなされます。 試験方法間の濾過効率を比較するための相関係数は Excel を使用して取得されました。

表 2 は、同様の空気力学的サイズ (つまり 2 ～ 3 μm の範囲内) の細菌およびウイルスを含んだ液滴の濾過効率と、3 種類のマスク品質 (MFM、CFM1、および CFM2) の標準偏差を示しています。 まず、BFE テストの平均 MPS が、VFE テストで得られた平均 MPS よりわずかに高いことがわかります (2.9 ± 0.1 μm 対 1.9 ± 0.2 μm)。 したがって、同じ試験装置が使用されたにもかかわらず、BFE 実験と VFE 実験の間で MPS の変化が報告されています。 MPS のこの変化の原因として考えられるのは、エアロゾル化される前にウイルス (VFE アッセイの場合) または細菌 (BFE アッセイの場合) を懸濁するために使用される溶液の物理的特性のわずかな変化によって引き起こされる可能性があります。 実際、溶液の特性 (粘度やタンパク質濃度など) がエアロゾル生成プロセスとエアロゾル粒子の運命に重要な役割を果たすことはよく知られています。

BFE テストと VFE テストの MPS (つまり、微生物を含む液滴のサイズ) のこの約 1 μm の違いにもかかわらず、液滴の空気力学的特性はこの 2 ～ 3 μm の範囲では非常に類似しているという結論を支持します。マスクの濾過効率の観点から（言い換えれば、液滴サイズのこのわずかな違いは、結果として生じる濾過効率には影響を与えません）。 これは、ベクトル サイズ分布のピークが 2 ～ 3 ミクロンの場合に厳密に当てはまります。 ただし、MPS が 2 ～ 3 ミクロンの範囲にあるからといって、ベクトル サイズ分布がそのサイズに集中していることは保証されません。 それにもかかわらず、これらのテストの実験台によって生成されたバイオエアロゾルのサイズ分布に関するデータは、私たちの仮説が正当であることを裏付けています。 実際、これは、BFE テスト 18 を使用したスペクトル マスク フィルタリングの経験に基づく合理的な仮定です。 さらに、BFE テストで得られたスペクトル濾過効率 (図 2 および 3) は、2 ～ 3 μm のベクトル範囲において、MFM と CFM1 で同等の高い細菌濾過性能が観察されることを明確に示しています。 間違いなく、CMF2 は粒径 2.1 μm から細菌濾過効率が大幅に低下します (図 2 および 3)。 これらの結果は、BFE テストと VFE テストの間の液滴サイズのわずかな違いは、MPS が両方のテストで全体的に 2 ～ 3 μm の範囲に留まり、マスクの濾過効率に大きな影響を与えないという以前の仮説を裏付けています (図 2 および 3)。 ）。 さらに、VFE テストで得られたスペクトル濾過効率についてもまったく同様の結論が観察され (図 4)、MFM ではベクター サイズに関係なく全体的に優れた濾過効率が得られ、CFM1 と CFM2 ではベクター サイズに応じて濾過効率が低下します (ただし、 CFM1 と CFM2 の濾過性能の差は、BFE 測定に比べて VFE 測定の場合は読みにくくなります。これは、測定の標準偏差が大きいためです。

(左) 6 段階の実行可能な ACI (黄色) の概略図。 浮遊粒子 (赤色) は、流量 28.3 L/min (青色の矢印) でカスケード インパクター内に吸引されます。 ACI の各ステージには、栄養寒天 (茶色) が満たされたペトリ皿 (緑色) が含まれています。 (右) 3 つのマスク タイプ (MFM、CFM1、および CFM2、MFM は医療用フェイス マスク、CFM は地域用フェイス マスクを指します) の各埋伏段階の BFE 検査の画像。 d50 は、カスケード インパクター ステージのカットオフ サイズを指します。 ペトリ皿上のコロニーは、HD コロニーカウンターを使用して観察されました。

3 種類のマスク (MFM、CFM1、CFM2、MFM は医療用フェイス マスク、CFM は地域用フェイス マスクを指します) の空気力学的粒子直径 (μm で表示) の関数としてのスペクトル細菌濾過効率 (% で表示)。 実験値 (N = 5)、平均値と標準偏差。

3 種類のマスク (MFM、CFM1、CFM2、MFM は医療用フェイス マスクを指し、CFM は地域用フェイス マスクを指します) の空気力学的粒子直径 (μm で表示) の関数としてのスペクトル ウイルス濾過効率 (% で表示)。 実験値。

BFE の結果 (表 2) に関して、医療用マスクは 98% を超える値を示します (EN14683:2019 によるタイプ IIR 仕様に準拠)。 コミュニティマスクは、MFM と比較して細菌濾過効率が低く、CFM1 では 89.7 ± 3.6%、CFM2 では 61.4 ± 1.2% に相当します。 両方のタイプのコミュニティ マスクで得られた細菌濾過効率が、CFM タイプ 1 では 90%、CFM タイプ 2 では 70% という PFE 制限に比較的よく準拠していることがわかります。

VFE テストに関しては、テストしたマスクのさまざまな品質について、細菌とウイルスの濾過効率の間に良好な相関関係があることが結果から明らかに示されています。 2 つの方法の結果 (図 5) を比較すると、マスクの品質 (MFM、CFM タイプ 1、または CFM タイプ 2) に関係なく、VFE テストと BFE テストは同様の値に収束すると結論付けることができます。 実際、2 つのテストの統計的比較では有意差は示されませんでした (p > 0.05)。 結果（補足図S1）は、2〜3μmの範囲の空気力学的液滴サイズの同様の範囲について2つの方法の間に良好な相関関係（r = 0.983）を示したため、BFE値は間違いなくVFE値と相関していました。 ただし、相関プロット (n = 3) 内のポイントの数が非常に限られているため、この結果の統計的有意性が限られていることを考慮すると、注意が必要です。

この研究で評価したさまざまなタイプのマスク（MFM、CFM1）の細菌濾過効率（BFE）法とウイルス濾過効率（VFE）法の間の濾過効率値（「濾過効率の計算」の式2で定義されているように%で表されます）およびCFM2; MFMは医療用フェイスマスクを指し、CFMはコミュニティ用フェイスマスクを指します）。 ns は大きく異なりません。 実験値 (N = 5)、平均値と標準偏差。

フェイスマスクを通過するエアロゾル液滴の濾過は、2 つの主なメカニズムによって制御されます (図 6)。 最初のメカニズムは、病原体が付着したマイクロメートルサイズの液滴をマスクのフィルター素材で直接濾過することです。 この最初のステップは、主に透過ベクトルのサイズ (つまり、この場合は 2 ～ 3 μm 程度の液滴) に依存します。 2 番目のメカニズムは、空気による、またはマスク表面に液滴が付着した後、マスクを介して病原体を輸送することにあります。 この 2 番目のステップは主に、マスクの外面と繊維構造に蓄積された病原体のサイズと数 (細菌の場合はマイクロメートル、ウイルスの場合は 100 nm) に依存します。 実際、マスク上に病原体が蓄積すると、十分に長い露光時間の間、病原体がマスクを通過して侵入する可能性があります。 暴露された人の呼吸数が多いほど、微生物の侵入が大きくなります。

エアロゾル浸透のメカニズム。 (1) 病原体を含んだ液滴をフィルター材で直接濾過します。 （２）マスク表面に蓄積した病原菌がフィルター材を通って移動する。

結果は、マスクの品質 (MFM、CFM タイプ 1 またはタイプ 2) に関係なく、最初の濾過機構がマスクの濾過効率において間違いなく支配的であることを示しています。 実際、同じ範囲の液滴 (2 ～ 3 μm の範囲) では、使用する病原体のサイズ (細菌対ウイルス) に関係なく、同様の濾過効率が得られることを実証しました。 したがって、これらの元のデータから、マスクの濾過効率（マスクの品質に関係なく）は主に病原体を含むベクターのサイズに依存し、病原体自体のサイズには依存しないと結論付けることができます。 実際的には、これらの結果は、医療用マスクの性能を評価するための EN14683:2019 (細菌性バイオエアロゾルを使用) の使用が、ウイルス性バイオエアロゾルに対するマスクの濾過効率の観点から自信を持って外挿できることも裏付けています (範囲内の同じサイズのエアロゾル化ベクターの場合)約2〜3μm）。 さらに、フェイスマスクの保護係数を適切に評価するには、エアロゾルの濾過/浸透メカニズムに加えて、特にこの記事で紹介されているような緩めのマスクの漏れ率など、他の要因も重要であることが文献によって示されています。勉強。

ただし、EN14683:2019 規制テストは短い曝露時間 (噴霧中にマスクをバイオエアロゾルに 1 分間曝露し、その後、一定の流量でマスク表面上の病原体を 1 分間接触させる) で実施されるため、注意も必要です。 28.3L/分）。 前述したように、暴露時間は、図 5 で説明した 2 番目の濾過機構にとって非常に重要なパラメータです。 したがって、EN14683:2019 規制試験の設計が主に最初の濾過機構 (フィルターの濾過) の評価を優先することは不可能ではありません。病原体を含んだ液滴）を 2 番目の濾過メカニズム（マスクを通した病原体輸送）と比較します。 将来の研究では、EN14683:2019 規制枠組みによって課される条件を変更し、より長い暴露時間 (つまり、EN14683:2019 によって課される 2 分よりも長い時間) にわたる細菌またはウイルスの濾過効率を評価するために実施される可能性があります。 2番目の濾過機構が、おそらくより有利な実験条件下でフェイスマスクの濾過効率に与える潜在的な影響（微生物によるマスクの外表面の病原体飽和度が高く、マスクを介してより多くの病原体が輸送されるための時間が長くなる） 。

多くの疫学者、保健機関、WHO では、空気感染と飛沫感染を区別するために 5 μm の閾値が使用されています。 飛沫感染は直径 5 μm より大きい粒子によって引き起こされますが、空気感染を引き起こすのは 5 μm より小さい粒子のみです。 しかし、物理的な観点から見ると、この 5 μm という値は主に任意であり、特別な意味はありません。 したがって、これら 2 つの病原体送達モード (空気感染対飛沫感染) の間には、「真の」空気力学的サイズの境界はありません。

VFE は、マスクの濾過を評価するための非規制テストであり、私たちの研究では、EN14683:2019 に準拠した標準 BFE 値と非常によく似た値 (2 ～ 3 μm 範囲の液滴範囲の場合) が得られました。 私たちの研究結果は他の研究によって裏付けられています。 ホワイリーら。 (2020) は、サージカルマスクの VFE 値 (平均サイズ 2.6 μm のエアロゾルに対して VFE = 98.5%) が、メーカーが宣伝する BFE と同等であることを示しました。 したがって、私たちの研究のように、マイクロメートルの液滴範囲に関しては、VFE テストは BFE テストほど興味深いものではないことが確認されました。 一方、VFE テストを使用して、病原体の空気感染に対するマスクの性能を評価することは興味深い場合があります (つまり、通常はサブミクロン範囲の小さな空気中の飛沫に対して)。 実際、バクテリアのサイズは約 1 ミクロンであるため、BFE テストでサブミクロンのバイオエアロゾルに対する濾過効率の性能を測定することはまったく不可能です。 したがって、BFE テストは、浮遊マイクロメートル飛沫 (むしろ「飛沫透過率」に相当) に対する濾過マスクの効率をテストするのに完全に適していますが、空中浮遊サブマイクロメートル飛沫 (むしろ「飛沫透過率」に相当) の場合の性能を評価するためには決して適応できません。空気感染」）。 したがって、VFE は、サブミクロン サイズのベクトルに対してマスクの品質を実際に評価できる唯一のテストです。 以前の研究ですでに特徴付けられており、空気力学的直径分布が 0.15 ～ 0.5 μm であるネブライザーなどの特定のネブライザーを使用して、1 μm 未満の浮遊ウイルスを含む液滴からなるウイルス バイオエアロゾルを生成することにより、VFE テストを作成することが可能です。 。

医療用マスクと地域用マスクの細菌濾過効率 (BFE) とウイルス濾過効率 (VFE) を比較しました。 結果は、2 ～ 3 µm の液滴サイズ範囲において 2 つの濾過方法 (ウイルス対細菌) の間に非常に良い相関関係があることを示しました。 この結果は、マイクロメートル単位の液滴サイズに対するウイルス微生物のバイオエアロゾルに対する医療用マスクの濾過性能を評価するために、細菌バイオエアロゾルを使用する EN14189:2019 規格の結果を使用することの妥当性を裏付けています。 言い換えれば、EN14189:2019 の規範手順は、病原体 (細菌またはウイルス) に関係なく、ミクロンの飛沫に対するマスクの濾過 (いわゆる「飛沫感染」の場合) を評価するのにかなり適していると思われます。 実際、マスクの濾過効率（2 ～ 3 μm 程度の液滴サイズ、およびこれらの規範的手順で設定された動作条件、特にバイオエアロゾルへの曝露時間が短い場合）は主にサイズに依存すると思われます。この飛沫に含まれる感染因子のサイズではなく、浮遊飛沫のサイズを重視します。

すべての主要なデータは、本文または補足資料で入手できます。 分析に使用されたデータに関する補足情報は、責任著者への合理的な要求に応じて入手できます。

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Djeghdir、S.、Peyron、A.、Sarry、G. 他。 ウイルスおよび細菌のバイオエアロゾルを使用した医療用および地域用フェイスマスクの濾過効率。 Sci Rep 13、7115 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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受信日: 2022 年 11 月 8 日

受理日: 2023 年 4 月 27 日

公開日: 2023 年 5 月 2 日

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

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