Aspectos fisico-químicos de la prevención del contagio por aire: mascarillas.
Mecanismos fisicoquímicos y biológicos del contagio por aire:
El mecanismo tan eficaz de propagación del SARS-CoVid-2 se basa en la colonización masiva de los pulmones. Debido a esto, una persona infectada tiene tres mecanismos de infección [1]:
1) La tos es un mecanismo que ayuda a arrancar mucosidad de las vías respiratorias sin producir en el proceso grandes gotas de saliva, el resultado es que la tos reparte el virus en forma de aerosol, con gotas de agua micrométricas proyectadas a alta velocidad. Además, la frecuencia de la tos en estos pacientes lo convierte en una fuente de estas gotas micrométricas cargadas de virus.
2) Los estornudos son un mecanismo similar a la tos, más violento, que en el cuerpo está destinado a expulsar la mucosidad de manera más violenta que la tos. El resultado son una colección de gotas de saliva con tamaños muy dispares, muchas de ellas de tamaño milimétrico, pero con otra población de tamaño micrométrico como las de la tos. Las gotas de tamaño milimétrico salen proyectadas a mayor velocidad (al tener más masa adquieren más momento) y son una fuente de contagio muy grande a tener en cuenta en tanto que al ser más grandes albergan una carga vírica mayor. Pero también al ser más grandes al ser proyectadas si no se encuentran con algo que infectar caen al suelo o a las superficies y con las precauciones debidas podemos aislarnos de ellas. Esto no aplica a la población de gotas micrométricas que describiremos más adelante.
3) La respiración también produce gotas micrométricas con carga vírica, pero por el carácter menos violento de los tres mecanismos estas se pueden controlar mejor al no salir proyectadas como en los otros dos casos. Esta es la razón por la que los respiradores mecánicos tienen que tener filtros virales a la salida.
En todo caso, la relación area/volumen de las gotas proyectadas es muy alta (cuanto más pequeña es la gota más área ofrece respecto a su volumen), esto acelera el proceso de evaporación y es un mecanismo que convierte gotas más grandes en gotas micrométricas.
¿Qué les pasa a estas gotas micrométricas? Que son entes coloidales, que no caen al suelo directamente aun teniendo mayor densidad que el aire, porque experimentan el movimiento Browniano [2]. Esto es, a estos tamaños las gotas son tan pequeñas que los choques con las moléculas de gas empiezan a ser importantes y el resultado es que las partículas se quedan en suspensión mucho más tiempo, tanto más cuanto más se evapora la gota y se hace más pequeña. En última instancia la gota se evapora y los virus quedan en suspensión también. Tanto las gotas micrométricas, submicrométricas como los virus una vez el agua se ha evaporado son aerosoles y se comportan como tales. Cuánto se queden en suspensión es algo que dependerá de la densidad y del coeficiente de difusión Browniana de las partículas en el medio. A mayor densidad antes cae, a mayor difusión más se quedan. El coeficiente de difusión para una partícula en un fluido/gas ideal es proporcional a la temperatura y decrece con el tamaño de la partícula y la viscosidad del fluido/gas.
Como veremos en un momento, este movimiento Browniano que parece que solo juega contra nosotros al dejar los virus en suspensión por mucho tiempo también nos ayudará a atraparlo al menos temporalmente en las mascarillas.
El aspecto biológico del problema: ¿Cuántas unidades de virus que respiremos o que se adhieran a nuestra mucosa por los ojos o entren por heridas en la piel son necesarias para infectarnos? No está claro, y cada persona es un mundo al respecto. Es un juego de probabilidades. El cuerpo humano tiene mecanismos para frenar esto. Los mocos en las mucosas son una barrera que impide el contacto directo con los tejidos que se pueden infectar en las vías respiratorias, por eso los segregamos, y la tos y los estornudos son precisamente mecanismos para deshacernos de esos virus atrapados en las mucosas. Aparte, las células humanas tienen mecanismos para inmolarse en pro del bien común y automatarse cuando entienden que están siendo atacadas. Y tenemos un sistema inmunitario activo con células blancas, fagocitos y demás que activamente irán a por los cuerpos extraños y los inactivarán. Es un juego de números y de saber a qué se enfrenta el cuerpo. La razón por la que nos volvemos inmunes ante el mismo virus tras pasar la infección es que el cuerpo desarrolla anticuerpos para estos virus y si alguno nuevo entra el cuerpo lo identifica al momento y todos los mecanismos se activan para que la infección no se propague. Pero si el cuerpo no sabe a qué se enfrenta, los mecanismos de barrera son limitados y ante una cierta carga vírica que dependerá de muchos factores, como si la persona tiene un sistema inmune más fuerte o no o la edad (por esto las personas inmunodeprimidas y los mayores son población de riesgo).
Como veis es muy difícil meterle mano al problema biológico en tanto que tiene muchísimas variables. En biología usan una medida de la carga vírica, el PFU (Plaque Forming Unit [3]) que es el equivalente a colony-forming units para bacterias. Esto es un intento de cuantificar lo que ocurre ex-situ, en una placa petri para tener una comparación cuantitativa.
Hacen falta sanitarios y patólogos que nos aclaren estos aspectos biológicos del problema.
Mascarillas y escudos:
Entendiendo los principales mecanismos por los que se propagan por el aire estos virus podemos entender de qué modo ayudan las distintas medidas de protección que voy a ordenar de menor protección a mayor:
Como veis, la FFP2 no está marcada para virus, y una N95 se equipara a una FFP2. De hecho si vamos a números, encontramos esto [5]:
Esto explica porqué hay que cambiar los filtros a menudo y porqué las mascarillas blancas deberían ser de usar y tirar. Recordad además que esto es un juego de estadística, si llegan unos pocos de virus tienes muchas posibilidades de que tus barreras (moco y sistema inmunitario) las paren.
A la luz de esto, vamos a ver unos datos que parecen poco alentadores, pero que entendemos ahora cómo se pueden mejorar [5]:
El mecanismo tan eficaz de propagación del SARS-CoVid-2 se basa en la colonización masiva de los pulmones. Debido a esto, una persona infectada tiene tres mecanismos de infección [1]:
1) La tos es un mecanismo que ayuda a arrancar mucosidad de las vías respiratorias sin producir en el proceso grandes gotas de saliva, el resultado es que la tos reparte el virus en forma de aerosol, con gotas de agua micrométricas proyectadas a alta velocidad. Además, la frecuencia de la tos en estos pacientes lo convierte en una fuente de estas gotas micrométricas cargadas de virus.
2) Los estornudos son un mecanismo similar a la tos, más violento, que en el cuerpo está destinado a expulsar la mucosidad de manera más violenta que la tos. El resultado son una colección de gotas de saliva con tamaños muy dispares, muchas de ellas de tamaño milimétrico, pero con otra población de tamaño micrométrico como las de la tos. Las gotas de tamaño milimétrico salen proyectadas a mayor velocidad (al tener más masa adquieren más momento) y son una fuente de contagio muy grande a tener en cuenta en tanto que al ser más grandes albergan una carga vírica mayor. Pero también al ser más grandes al ser proyectadas si no se encuentran con algo que infectar caen al suelo o a las superficies y con las precauciones debidas podemos aislarnos de ellas. Esto no aplica a la población de gotas micrométricas que describiremos más adelante.
3) La respiración también produce gotas micrométricas con carga vírica, pero por el carácter menos violento de los tres mecanismos estas se pueden controlar mejor al no salir proyectadas como en los otros dos casos. Esta es la razón por la que los respiradores mecánicos tienen que tener filtros virales a la salida.
En todo caso, la relación area/volumen de las gotas proyectadas es muy alta (cuanto más pequeña es la gota más área ofrece respecto a su volumen), esto acelera el proceso de evaporación y es un mecanismo que convierte gotas más grandes en gotas micrométricas.
¿Qué les pasa a estas gotas micrométricas? Que son entes coloidales, que no caen al suelo directamente aun teniendo mayor densidad que el aire, porque experimentan el movimiento Browniano [2]. Esto es, a estos tamaños las gotas son tan pequeñas que los choques con las moléculas de gas empiezan a ser importantes y el resultado es que las partículas se quedan en suspensión mucho más tiempo, tanto más cuanto más se evapora la gota y se hace más pequeña. En última instancia la gota se evapora y los virus quedan en suspensión también. Tanto las gotas micrométricas, submicrométricas como los virus una vez el agua se ha evaporado son aerosoles y se comportan como tales. Cuánto se queden en suspensión es algo que dependerá de la densidad y del coeficiente de difusión Browniana de las partículas en el medio. A mayor densidad antes cae, a mayor difusión más se quedan. El coeficiente de difusión para una partícula en un fluido/gas ideal es proporcional a la temperatura y decrece con el tamaño de la partícula y la viscosidad del fluido/gas.
Como veremos en un momento, este movimiento Browniano que parece que solo juega contra nosotros al dejar los virus en suspensión por mucho tiempo también nos ayudará a atraparlo al menos temporalmente en las mascarillas.
El aspecto biológico del problema: ¿Cuántas unidades de virus que respiremos o que se adhieran a nuestra mucosa por los ojos o entren por heridas en la piel son necesarias para infectarnos? No está claro, y cada persona es un mundo al respecto. Es un juego de probabilidades. El cuerpo humano tiene mecanismos para frenar esto. Los mocos en las mucosas son una barrera que impide el contacto directo con los tejidos que se pueden infectar en las vías respiratorias, por eso los segregamos, y la tos y los estornudos son precisamente mecanismos para deshacernos de esos virus atrapados en las mucosas. Aparte, las células humanas tienen mecanismos para inmolarse en pro del bien común y automatarse cuando entienden que están siendo atacadas. Y tenemos un sistema inmunitario activo con células blancas, fagocitos y demás que activamente irán a por los cuerpos extraños y los inactivarán. Es un juego de números y de saber a qué se enfrenta el cuerpo. La razón por la que nos volvemos inmunes ante el mismo virus tras pasar la infección es que el cuerpo desarrolla anticuerpos para estos virus y si alguno nuevo entra el cuerpo lo identifica al momento y todos los mecanismos se activan para que la infección no se propague. Pero si el cuerpo no sabe a qué se enfrenta, los mecanismos de barrera son limitados y ante una cierta carga vírica que dependerá de muchos factores, como si la persona tiene un sistema inmune más fuerte o no o la edad (por esto las personas inmunodeprimidas y los mayores son población de riesgo).
Como veis es muy difícil meterle mano al problema biológico en tanto que tiene muchísimas variables. En biología usan una medida de la carga vírica, el PFU (Plaque Forming Unit [3]) que es el equivalente a colony-forming units para bacterias. Esto es un intento de cuantificar lo que ocurre ex-situ, en una placa petri para tener una comparación cuantitativa.
Hacen falta sanitarios y patólogos que nos aclaren estos aspectos biológicos del problema.
Mascarillas y escudos:
Entendiendo los principales mecanismos por los que se propagan por el aire estos virus podemos entender de qué modo ayudan las distintas medidas de protección que voy a ordenar de menor protección a mayor:
1) Escudos: primera barrera de entrada, protege de las gotas milimétricas proyectadas sobre todo en estornudos y en menos medida en toses. Al ofrecer una barrera física ante estas gotas, que son las que mayor carga vírica tienen, ayudan a prevenir infecciones en gran medida. El problema es que no ofrecen ninguna protección ante aerosoles, esto es gotas micrométricas, submicrométricas y virus en suspensión que entrarán en las vías respiratorias por simple respiración.
2) Mascarillas médicas: estas mascarillas son una versión solo un poco más segura que los escudos. No están diseñadas para no hacer pasar virus y de hecho no son herméticas. Para evitar contagiarte no proporcionan mucha más protección que los escudos por las mismas razones descritas que para estos. Pero son fundamentales en otro aspecto, cuando pienses que puedes estar infectado o lo sepas directamente, entonces es muy importante usarlas tanto en casa si vives con más personas como al salir al exterior, para prevenir contagios de otras personas. Seguro que has visto a asiáticos en las noticias llevarlas en invierno y principalmente es para no contagiar a terceros, no para no contagiarse. ¿Por qué ayudan a no contagiar pero no aislan del contagio a una persona sana? Ya ha quedado claro porqué no aislan, veamos qué pasa al contrario, cuando tú estás contagiado. Ya hemos visto las principales vías de contagio aéreo e incluso la respiración libera virus al aire. En este sentido eres como un altavoz emitiendo sonido, y quieres que este sonido no le llegue a otra gente o que al menos le llegue atenuado. Mira la imagen del altavoz, cuanto más lejos esté la persona sana de la fuente de las gotitas de virus y virus en suspensión (el infectado), más se reparten estas por área (en el área 1 en el dibujo la concentración de virus por área es mayor que en el área 2). De este modo estar alejado es una medida buena para no contagiar, pero si no puedes estar alejado, lo siguiente que puedes hacer es bajar tu intensidad de contagio (como si bajaras el volumen del altavoz) y para esto justo sirven estas mascarillas. Evidentemente cuanto mejor la mascarilla, más bajas la intensidad de contagio, pero de llevar este tipo de mascarillas a no llevar nada hay todo un trecho y por eso hay que llevarlas siempre para minimizar contagios.
Edit: dejan pasar 10 veces más partículas que las N95 que veremos en el siguiente punto, en el mejor de los casos [11].
3) Mascarillas para partículas: aquí ya entramos en terreno más complicado. Empecemos por lo que nos dicen los fabricantes [4,5]:
Como veis, la FFP2 no está marcada para virus, y una N95 se equipara a una FFP2. De hecho si vamos a números, encontramos esto [5]:
¿Es esto útil? Me dicen las especificaciones en partículas de 0.3 µm (=300 nm) o mayores, pero los virus tienen de 60 a 140 nm [6]. Las autoridades sanitarias recomiendan al menos N95 (=FFP2), ¿mienten las autoridades? No, recuerda que esto es un juego de estadísticas y estas mascarillas además de servir para todo lo que sirven los escudos y las mascarillas médicas, sí que ajustan herméticamente a la boca y nariz y son capaces de contener (filtrar) actívamente partículas tan pequeñas como cientos de nanómetros. Veamos más en profundidad el mecanismo de estos filtros [7]:
En el eje Y tenéis eficiencia de la colección de partículas, en el eje X
diámetro de partícula. Como veis, por encima de 1 µm se contienen la
partículas por impacto y por tamaño de poro en los filtros, como cuando
filtras el café en un filtro de papel y las partículas de café no pasan
simplemente por tamaño de poro. Luego hay una bajada de eficiencia
entorno a los 0.3 µm = 300 nm, que es debido a que las partículas tienen
suficiente masa como para ser afectadas en gran medida por tu
respiración (las atraes al inspirar) pero además el tamaño de poro las
deja pasar. Por eso, al ser este el régimen en el que las máscaras
fallan más, es justo el que se usa para dar los porcentajes de
efectividad. Para partículas más pequeñas (por debajo de 0.1 µm = 100
nm), y ahí entran estos virus, la difusión Browniana es tan grande (su
masa tan pequeña) que las partículas quedan atrapadas en
el filtro directamente adheridas a las fibras del mismo. ¿Pueden pasar al otro lado? Sí, sin duda, si no impactan en una hebra de filtro, este es el
régimen dominado por la difusión.Esto explica porqué hay que cambiar los filtros a menudo y porqué las mascarillas blancas deberían ser de usar y tirar. Recordad además que esto es un juego de estadística, si llegan unos pocos de virus tienes muchas posibilidades de que tus barreras (moco y sistema inmunitario) las paren.
A la luz de esto, vamos a ver unos datos que parecen poco alentadores, pero que entendemos ahora cómo se pueden mejorar [5]:
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Comentarios
También a la luz de estos datos entendemos porqué es peor estar en sitios cerrados en los que estos virus en suspensión tardarán más en sedimentar o en ser arrastrados por corrientes que al aire libre donde las corrientes de aire los diluyen y la lluvia los recoge y los precipita del ambiente (mientras escribo esto llueve en Barcelona y no podemos estar más agradecidos por ello).
Sabiendo lo que hacemos, podemos minimizar los contagios tengamos una N95 o una FFP3!!!
Lo más importante para el final. La sensación de inmunidad es el mayor enemigo, tengas la máscara que tengas, tienes que guardar todas las precauciones posibles y evitar ambientes cargados de virus porque como hemos visto esto es cuestión de estadística y el mayor boleto es ir sin precauciones tengas el equipamiento que tengas.
Contacto: mafernandez@ub.edu
[1] Evaluating the protection afforded by surgical masks against influenza bioaerosols. https://www.hse.gov.uk/research/rrpdf/rr619.pdf
[2] https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_browniano
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Plaque-forming_unit
[4] https://d3rbxgeqn1ye9j.cloudfront.net/fileadmin/www.uvex-safety.com/Media/catalogues_and_brochures/en/uvex_respiratory_protection_guide_PPE_EN.pdf?1494846973
[5] https://fastlifehacks.com/n95-vs-ffp/
[6] A Novel Coronavirus from Patients with Pneumonia in China, 2019. https://dx.doi.org/10.1056/NEJMoa2001017
[7] https://en.wikipedia.org/wiki/NIOSH_air_filtration_rating
[8] Persistence of coronaviruses on inanimate surfaces and their inactivation with biocidal
agents. https://doi.org/10.1016/j.jhin.2020.01.022
[9] https://en.wikipedia.org/wiki/HEPA
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/Ultra-low_particulate_air
2) Cuando empiecen a escasear estas (y estamos ahí en muchos puntos del país), si no tenemos aporte suficiente de fabricantes y/u otros países, empezarán a usar lo que sea, y mejor que sea algo pensado que algo improvisado. Y eso es para mi la prioridad absoluta del grupo de mascarillas. Dentro de este punto entra lo de utilizar los prefiltros o hacer 10 máscaras de una sola.
3) En el mismo nivel (podría estar por encima del punto 2) es importante que demos máscaras al menos tipo quirúrgicas para los pacientes, para intentar minimizar el contagio de los sanitarios que los cuidan.
4) Independientemente de la efectividad, la mayoría de la población no tiene máscara, así que cualquier máscara que podamos hacer de manera masiva va a ser un avance para parar los contagios cuando tengamos que salir de casa por narices. Y si se pueden hacer en casa, incluso mejor, en el contexto de mejor algo que nada.
El aerosol es mayor que cualquier superficie.
Acabo de registrarme. Soy Ingeniero Industrial y llevo unos 20 años trabajando en entornos sanitarios con rol de Ingeniero Clínico (instalación y soporte de equipos médicos de RX, TAC, Eco, IT, etc) y unos cuantos años también como Ingeniero Jefe de un área de Salud.
Los materiales no son mi especialidad, pero sí que he experimentado con Rayos X como fuente para esterilizar...
Por otro lado, aunque las mascarillas son importantes, creo que no hay que perder de vista el resto de medios de contagio.
En mi experiencia de contaminación en quirófanos se solía echar la culpa al aire acondicionado (con filtros HEPA), cuando lo más probable era que entraran (las bacterias) con las partículas a nivel del suelo.
Para cualquier duda, aquí estamos.
Mi enhorabuena por esta iniciativa.
Mi perfil LinkedIn, just in case
Respecto a la desinfección del aire y superficies, no se si de mascarillas. Se podría utilizar luz ultravioleta C. Hoy en día se pueden utilizar fuentes de luz LED, con longitudes de onda en torno a 265nm, cuya disponibilidad es elevada. Parece que ya hay estudios que así lo demuestran. https://www.violetdefense.com/research-articles/2020/2/6/uv-light-effective-against-coronavirus
Tal vez esta técnica serviría para poder reutilizar los filtros.
Si alguien quiere poner alguna iniciativa en marcha para explorar las posibilidades de esta tecnología, ofrezco mi experiencia en el desarrollo de productos basados en luz LED.
He añadido una idea loca en el texto: ¿y si comprobamos la integridad del filtro tras someterlo a CO2 supercrítico? Conozco algunas industrias que usan este proceso. Podría ser una vía de limpieza a gran escala.
Sabemos si el virus muere a una Tª determinada? porque igual con meter las mascarillas al horno de un día para otro permite utilizarlas con garantías.
Un saludo
Fantástica la referencia!!!
El tiempo requerido dependerá de la dosis de radiación. En principio con dosis grandes se necesitarían tiempos muy cortos de desinfección.
Respecto a la "transparencia" de los tejidos de los filtros a estas radiación UV-C, desconozco si es baja, pero en principio a menores longitudes de onda más capacidad para penetrar en los tejidos.
Buscaré información sobre este punto.
Aunque carece de rigor científico y garantía alguna...
Stability of SARS coronavirus in human specimens and environment and its sensitivity to heating and UV irradiation.
Sobre la esterilización de los tejidos de los que están hechas las máscaras y teniendo en cuenta lo mencionado hasta este punto, se me ocurre lo siguiente.
Para esterilizar en seco y a temperatura ambiente este tipo de materiales, en los que hay que garantizar la penetración por completo del desinfectante, el ozono es una buena alternativa y se puede generar con facilidad en el momento en que se necesite (alta tensión o incluso luz ultravioleta tipo C). Tiene un poder desinfectante superior al cloro (según algún fabricante 300-3000 veces superior, ya será menos) y funciona a partir de las 8-10ppm en tiempos de exposición de alguna hora.
Hay mucha documentación científica, patentes y equipos comerciales. En algunos artículos científicos hacen ensayos con bacterias resistentes y algunos tipos de virus.
He encontrado este texto en publicidad de una empresa que comercializa equipos para esterilizar instalaciones, donde se mencionan algunas cifras. También hay patentes de cámaras de tamaño más reducido para esterilizar instrumental usando ozono en forma de gas.
"a) Sistema de CHOQUE Este tratamiento con Ozono, en quirófanos y salas tipo UCI, suele realizarse con equipos portátiles de altas prestaciones, tipo cañón, que generan tasas superiores a los 10 ppm de Ozono. Estos aparatos se utilizan cuando no hay personal, su desconexión está programada y son fáciles de utilizar y de transportar. Mediante programación horaria, un equipo portátil puede colocarse en el centro de una sala, por ejemplo de un quirófano, para que el Ozono generado en altísimas concentraciones alcance toda la estancia sin dejarse un solo rincón. A título de ejemplo, un generador de 15 g/h realiza una esterilización con Ozono de cerca de 8 ppm en una sala 30 m3 en una hora. Si aumentamos el tratamiento durante dos o tres horas, aseguramos un resultado impactante, obteniendo reducciones bacterianas mayores de 10^6" (Fuente: Topozono)
Faltaría investigar más el tema y ver la forma de medir la concentración para garantizar resultados.
Efectivamente. Esto sería, si es que es viable, solo posible en empresas especializadas. Como un servicio de lavandería. Hace falta por lo tanto que investiguéis más porque de ser posible ya tiene que haber literatura científica al respecto y empresas ofreciendo este proceso para virus en general.
Busquemos!
http://blog.hiperbaric.com/control-de-virus-transmitidos-por-alimentos-con-hpp
adjunto propuesta de FILTRO LOWCOST, aprox. 1€ = 40 unidades.
Lo primero, no es filtro N95, y tal como explica mafernandez, sólo pretende parar microgotas grandes y aquellas partículas pequeñas que por la difusión Browniana queden atrapadas en el filtro directamente adheridas a las fibras del mismo.
Se trata de utilizar filtros de cafetera disponibles de momento en supermercados, según indica este artículo, éstos filtros detienen partículas mayores a 10-15 micras.
Tamaño relativo virus:
Y supongo que no tienen substancias dañinas por ser para uso alimentario y las que he adquirido tampoco contienen adhesivos (CONFIRMAR VALIDEZ POR ALGUN DOCTOR).
Este material me parece apropiado para utilizar como prefiltro, o como mascarilla básica.
Dada su forma, he podido fijarla a mi cara fácilmente con un sellado bastante bueno. Sirvan estas fotos de muestra, pero lo ideal sería hacer con impresión 3D un sistema de sellado y fijación a la cabeza más consistente.
Prototipo rápido (2min.):
Materiales:Filtros Nº4, 1 goma elástica de 10-12cm y esparadrapo.
1 Plegar y embuchar
2
3 Ceñir a nariz y poner esparadrapos
4 Poner Goma
5 Replegar filtro sobre goma.
Material:
KEYWORDS: MATERIAL FILTRANTE, FILTRO, FILTROS , MASCARILLA, LOWCOST
https://comertex.es/respilon-una-membrana-desarrollada-por-comertex/