ウイルスを加熱素子によって積極的に死滅させることを目的とした、同種のものとして初めてのマスクが開発されています。
加熱素子は、厚さ0.1ミリメートルの銅メッシュに電流を流すことで作られます。
このマスクには断熱素子も用いられ、加熱素子から着用者を守ります。
本記事で紹介されている研究は、プレプリントサーバーに掲載されていますが、科学者や医療専門家による査読はまだ受けていません。
フェイスマスクは、SARS-CoV-2ウイルスなどのウイルスを濾過する効果があり、感染リスクの低減に役立つことが示されています。MITの研究者チームは、さらに一歩進めて、熱を用いてウイルスを不活化するマスクを作ることを目指しています。
研究者たちは、加熱された銅メッシュを組み込んだマスクの開発を目指しています。マスクを着用した人が息を吸ったり吐いたりすると、空気がメッシュを繰り返し通過し、空気中のウイルス粒子はメッシュと高温によって速度が落ち、不活化されます。研究者によると、このようなマスクは、医療従事者にとって有用であるほか、混雑したバスなど、社会的距離を保つことが難しい状況にいる一般の人々にとっても有用である可能性があるとのことです。
「これは、ウイルスを主に遮断するのではなく、まったく新しいコンセプトのマスクです。実際、ウイルスをマスクに通過させますが、その速度を落とし、不活化させます」と、MITの化学工学分野のカーボン・P・ダブス教授であるマイケル・ストラノ氏は述べています。
研究者たちはすでにプロトタイプの製作に着手しており、まもなく試験を開始したいと考えています。彼らは、新しいコンセプトと設計について、次の場所に投稿した論文で説明しました。bioRxiv。これはオンラインのプレプリントサーバーです。また、この論文は査読付きの学術誌にも投稿されています。
ストラノ氏は論文の上級著者であり、MITの大学院生であるサミュエル・ファウチャー氏が筆頭著者です。その他の著者には、MITの大学院生であるダニエル・ランドバーグ氏、リャン・シンヤオ氏、ジン・シャオジア氏、学部生のロザリー・フィリップス氏、博士研究員のドルサ・パルビズ氏、そしてMITの原子力科学工学分野の東京電力教授であるヤコポ・ブオンジョルノ氏が含まれます。
ウイルスの不活化
ストラノ氏とブオンジョルノ氏は、3月にMITがキャンパス内の研究活動を縮小した直後から、新しいタイプのフェイスマスクのコンセプトの検討を始めました。彼らはまず、さまざまな種類のマスクに関する既存の科学報告を調べ、加熱によってウイルスを主に死滅させるように設計されたマスクは見つからなかったことを明らかにしました。
「現在私たちが着用しているマスクは、ウイルスの一部を捕らえるように設計されています。確かに防護効果はありますが、ウイルスを不活化して空気を殺菌するということを真剣に考えている人は誰もいません。それには驚かされました」とストラノ氏は述べています。
研究チームは、ウイルスを加熱によって死滅させるマスクの設計に取り組みました。彼らは、加熱と捕捉の役割を担う素材として銅メッシュを採用することを決定し、自然な呼吸によって内側や外側へ流れるコロナウイルスを死滅させるために必要な最適な温度範囲を決定するため、数理モデリングを実施しました。
「今日のマスクの大半は、粒子をサイズまたは電荷によって濾過することで機能しています」とファウチャー氏は述べています。「このマスクは別のメカニズムに依拠しており、主に熱による不活化によって機能します」
研究者たちは、さまざまな温度と捕捉条件下でコロナウイルスがどの速度で分解されるかを計算し、最終的なマスクのサイズに応じて、約90度セルシウスの温度で、ウイルス粒子を1000倍から100万倍まで減らせることを明らかにしました。また、小型電池で駆動する、厚さ0.1ミリメートルの銅メッシュまたは熱電ヒーターに電流を流すことで、この温度を達成できることも示しました。現在のプロトタイプには9ボルトの電池が使われており、マスクを数時間加熱するのに十分な電力を供給するとともに、吸入前に空気を冷却することができます。
「もちろん、マスク着用者の安全と快適さには細心の注意を払う必要があります」とファウチャー氏は述べています。「ウイルスを不活化した後に空気を冷却することで、マスクを快適かつ安全に使用できるようにします」
研究者たちは、呼吸を利用して、リバースフロー反応器と呼ばれる一種の反応器を作ることで、ウイルスの不活化効率を高めることに成功しました。マスクを着用した人が息を吸ったり吐いたりすると、空気の流れが絶えず逆転し、マスク内のウイルスがメッシュ上を何度も通過するため、不活化される可能性が高まります。浄化された空気は、マスクの両側にある通気口から流れ出ます。
「この設計により、顔にフィットする小型のマスクを着用しながら、リバースフロー反応器の設計がない場合よりもはるかに長い時間、ウイルスを不活化させることができます」とストラノ氏は述べています。
銅メッシュは周囲をネオプレンで覆われています。ネオプレンは断熱材であり、マスクの外側が着用するには熱くなりすぎるのを防ぎます。
「ウイルスを不活化するための温度を達成しつつ、着用者の顔を断熱し、許容できる程度に冷たい空気を吸入できるようにすることは、興味深い熱伝達の課題でした。これは、ネオプレンによる断熱と再生加熱によって解決しました」とブオンジョルノ氏は述べています。
「より優れた技術」
N95マスク、医療用マスク、布製マスクは効果があり、パンデミック中は指示に従って使用すべきだとストラノ氏は述べています。しかし、加熱マスクの潜在的な利点の一つは、ウイルスを死滅させるため、使用後に除染したり廃棄したりする必要がないことです。さらに、ウイルスを濾過するだけでなく死滅させるため、より高い防護効果が期待できる可能性もあります。
「私たちが示したのは、顔に着用しても負担にならず、実際に医療的に無菌の空気を吸うことができるものを作ることが可能だということです」とストラノ氏は述べています。「医療的に無菌の空気を吸い、医療的に無菌の空気を吐き出すことができ、周囲の人々と自分自身を守れるようになるというのは、次の段階にすぎません。これはより優れた技術なのです」
加熱マスクは、布製マスクや医療用マスクよりも高価になりますが、曝露リスクが高く、コストがあまり問題にならない状況では有用である可能性があると研究者は述べています。彼らはマスクの設計について特許を出願しており、共同研究者と共にMITでプロトタイプの試験を開始する予定です。
この研究は、海軍研究局が支援するプロジェクトの一環として資金提供を受けました。
