Testen, ob nicht zertifizierte N95-Masken wirksam sind

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Seit sich Covid-19 in den USA ausbreitet, bemühen sich die Regierungen der Bundesstaaten darum, N95-Atemschutzmasken zu finden und zu sichern, die das Gesicht abdichten und infektiöse Partikel herausfiltern, um Mitarbeiter an vorderster Front vor dem Einatmen des Coronavirus zu schützen. Ein nationaler Mangel hat dazu geführt, dass Staaten diese Masken von nicht zertifizierten ausländischen Herstellern oder von Herstellern kaufen, die im Ausland zertifizierte Produkte verkaufen.

„Jeder Staat musste alles kaufen, was er finden konnte“, sagt William Herzog, stellvertretender Leiter der Advanced Materials and Microsystems Group am MIT Lincoln Laboratory. „Beim Kauf von Masken, die nicht von einer US-Behörde zertifiziert sind, besteht Betrugsgefahr. Daher besteht die Notwendigkeit, die Leistung dieser ausländischen oder nicht zertifizierten Masken zu bewerten – die Leute wollen wissen, ob sie wirksam sind.“

Das Lincoln Laboratory ist Teil einer Koalition, die mit dem Massachusetts Manufacturing Emergency Response Team (M-ERT) zusammenarbeitet, um die Qualität von N95, KN95 (N95-ähnliche Atemschutzmasken, die in China hergestellt und zertifiziert werden) und Materialien zu testen, die Unternehmen verwenden möchten N95-Masken herstellen.

Seit Beginn der Bemühungen vor etwa zwei Wochen hat das Labor mehrere Dutzend verschiedene Maskenprodukte auf zwei Arten getestet. Der erste Test misst die Filtrationseffizienz und bestimmt, wie viel Prozent der Partikel einer bestimmten Größe die Maske zurückhält. Der andere Test untersucht das Eindringen von Flüssigkeiten. Für diesen Test simulieren die Forscher Blutspritzer und prüfen, ob diese durch die Maske dringen können.

Das Labor zertifiziert mit seinen Tests keine Atemschutzmasken; Nur das US-amerikanische National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) oder NIOSH-zertifizierte Labore können dies tun. Die Tests werden jedoch so genau wie möglich nach NIOSH-Testprotokollen und -Instrumenten durchgeführt. Ziel der Tests ist es, Beamten und Gesundheitsdienstleistern dabei zu helfen, die Wirksamkeit dieser persönlichen Schutzausrüstung (PSA) einzuschätzen. Die Testergebnisse werden zur PSA-Anleitung auf der Website des Massachusetts Department of Public Health veröffentlicht.

„Die Leute suchen nach Antworten“, sagte Herzog. „Ein Feuerwehrmann kam mit Masken in unsere Lobby, damit wir sie testen konnten. Ziel ist es also, einen Ort zu schaffen, an dem Krankenhausverwalter, Feuerwehr- und Polizeibehörden, Mitarbeiter des Gesundheitswesens oder wirklich jeder nachschauen kann, ob die Maske gekauft wurde.“ wirksam ist oder nicht.“

Über M-ERT arbeitet das Labor mit Advanced Functional Fabrics of America (AFFOA), einem Fertigungsinnovationsinstitut in Cambridge, Massachusetts, zusammen, um Masken zum Testen zu erhalten. Michael Rein, leitender Produktingenieur bei AFFOA, sagt, dass AFFOA nicht nur Masken vom Staat zum Testen erhält, sondern auch Testanfragen von Krankenhäusern, kleinen Unternehmen, akademischen Gruppen und großen Handelsunternehmen. „Wir erhalten die Materialien und Masken, priorisieren sie für Tests und verbinden sie dann zum Testen mit einem Partnerlabor“, sagt Rein.

Das Lincoln Laboratory ist neben der University of Massachusetts in Lowell, dem US Army Combat Capabilities Development Command Soldier Center und dem Labor von MIT-Professor Gregory Rutledge auf dem Campus einer dieser Partner. Rutledges frühe Bemühungen, die Filtrationseffizienz von Masken zu testen, haben die eigene Filtrationsarbeit des Lincoln Laboratory ergänzt.

Gemäß der NIOSH-Spezifikation sollten N95-Masken (und chinesisch zertifizierte KN95-Masken) mindestens 95 Prozent der Partikel einer bestimmten Größe herausfiltern. Die Testausrüstung, die NIOSH zur Zertifizierung von Masken verwendet, ist jedoch „hochspezialisiert und schwer zu bekommen“, sagt Shane Tysk, der die Tests der Filtereffizienz im Labor geleitet hat. Daher musste das Labor einen eigenen Aufbau aufbauen, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.

Um die Filtereffizienz zu testen, erzeugt der Aufbau Aerosole aus Salzpartikeln einer bestimmten Größe. Anschließend wird die mit Aerosolen beladene Luft durch eine Testvorrichtung, die eine Probe des Maskenmaterials enthält, in eine Sammelkammer gesaugt, wo die Forscher die Partikel messen können, die den Maskenfilter passiert haben. Gleichzeitig messen sie den Druckabfall über der Maske, der einen Inhalationswiderstand anzeigt oder wie schwierig es für jemanden wäre, mit aufgesetzter Maske zu atmen. Bisher haben sie mehrere Kopien von mehr als 70 verschiedenen Maskentypen getestet.

Tysk sagt, dass beim Vergleich der Leistung der KN95-Masken in ihrem Test mit der zertifizierter N95-Atemschutzmasken nur etwa die Hälfte den Filtereffizienzstandard von 95 Prozent erfüllt. Die Tests im Labor konzentrieren sich ausschließlich auf Partikel mit einer Größe von 300 Nanometern bis 10 Mikrometern. Stellen Sie sich ein Tröpfchen vor, das beim Husten, Niesen oder Sprechen ausgestoßen wird und das möglicherweise eine Ansammlung von Viruspartikeln enthält. Bei Rutledges Tests auf dem Campus werden Partikel kleiner als 300 Nanometer im Maßstab eines einzelnen Coronavirus-Partikels gemessen. Die Ergebnisse der beiden Teams zur Filtrationseffizienz waren in einigen Fällen unterschiedlich.

„Je nachdem, wie die Messung durchgeführt wurde, können die Ergebnisse sowohl korrekt als auch nicht genau gleich sein. Die Kurven der Filtrationseffizienz variieren je nach Partikelgröße“, sagt Tysk. „Es ist schwierig, wenn die Frage einfach ist, zum Beispiel ‚Ist diese Maske gut?‘, aber die Antwort könnte komplex sein. In dieser Situation ergänzen sich unsere Tests und MITs: Wenn Sie unsere Ergebnisse zur Partikelreichweite zusammenfassen, erhalten Sie eine sehr.“ detaillierte Messung.“

Neben der Prüfung der Filtrationseffizienz testet das Labor auch die Widerstandsfähigkeit der N95- und KN95-Masken gegen das Eindringen von Blut. Obwohl nicht alle N95-Masken als chirurgische Masken konzipiert oder zertifiziert sind, müssen N95-Masken in chirurgischer Qualität und ihre KN95-Gegenstücke Menschen sowohl vor dem Einatmen von Aerosolen als auch vor Spritzern oder Sprühnebeln von Körperflüssigkeiten schützen.

Andrew Whitehead von der Rapid Prototyping Group baute den Blutspray-Aufbau nach ASTM International-Standards für synthetische Bluttests. Vor dem Test werden die Masken in einer Feuchtigkeitskammer vorkonditioniert, um die Einwirkung von Feuchtigkeit aus dem Atem des Trägers zu simulieren, die sich auf die Durchlässigkeit auswirken kann (die Vorkonditionierung erfolgt auch für Masken, die einem Aerosoltest unterzogen werden). Jede Maske wird aus einer Entfernung von einem Fuß mit zwei Millilitern synthetischem Blut in einer von drei Geschwindigkeiten besprüht und simuliert so, was ein Chirurg erleben würde, wenn er ein Blutgefäß bei verschiedenen Blutdruckwerten (80, 120 oder 160 Millimeter Quecksilbersäule) punktiert. Anschließend prüfen die Forscher visuell die nach innen gerichtete Seite der Maske und prüfen mit einem Tupfer, ob Flüssigkeit eingedrungen ist.

„Im Gegensatz zu vielen anderen Tests, die wir hier durchführen, handelt es sich hier um einen sehr qualitativen Test. Wir überprüfen visuell, ob die andere Seite der Maske nass ist. Eine saubere Oberfläche besteht durch“, sagt Lalitha Parameswaran, die die Prüfung geleitet hat dieser Test. Bisher hat ihr Team 58 verschiedene Arten von Masken getestet, jeweils sechs Replikate davon. Ungefähr 70 bis 80 Prozent der Masken haben den Test bestanden, obwohl Parameswaran sagt, dass sie den Test verfeinern, um nach einer gewissen Zeit Inspektionen hinzuzufügen, um zu prüfen, ob sie durchsickern.

Um wirksam zu sein, müssen die Masken natürlich auch richtig sitzen und dicht am Gesicht anliegen. Das Labor testet die Masken nicht auf Passform. Aber mit diesen Daten zur Filtrationseffizienz und zum Eindringen von Flüssigkeiten helfen die Forscher den Herstellern dabei, schnell zu erkennen, ob die Materialien, aus denen sie chirurgische Masken und N95-Masken herstellen wollen, funktionieren und ob im Ausland erworbene Masken von guter Qualität sind.

Das Labor plant, seine Testkapazität dank der zusätzlichen eingeworbenen Mittel bald zu verdoppeln. Alle vom Labor und über AFFOA durchgeführten Tests werden derzeit als kostenloser Service für diejenigen bereitgestellt, die sie anfordern.

„Für die Menschen ist es sehr wichtig zu verstehen, wie gut ihre PSA funktioniert“, sagt Tysk. „Es ist eine erfüllende Aufgabe. Es war eine echte Zeitknappheit, es schnell und richtig zu machen, aber es ist etwas, das wirklich zählt.“

Rein fügt hinzu, dass er „sehr dankbar ist, Testpartner am MIT und im Lincoln Laboratory zu haben, die uns bei diesem Vorhaben unterstützen. Es ist nicht trivial, ihre Zeit zu spenden, und sie haben ihr Bestes gegeben, um dies auf die Beine zu stellen.“

Die Forscher möchten allen Mitarbeitern danken, die entscheidend zur Durchführung der Tests im Lincoln Laboratory beigetragen haben. Zu diesem Team gehören Alberto Cabral, Joseph Chludzinski, Jude Kelley, Paul Robinson, Devon Beck und die Engineering Division.

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