Оценка бактериальной фильтрации и воздушной проницаемости масок, используемых населением во время пандемии COVID-19

    Пандемия, вызванная SARS-CoV-2, продолжает представлять угрозу здоровью населения. Использование неспецифических мер защиты, в том числе применение масок, является действенным способом снижения риска распространения инфекции. Эффективность защитных свойств маски зависит от того, насколько материал, из которого изготовлена маска, способен задерживать капли и аэрозольные частицы, содержащие вирусы. Показателем эффективности защиты маски может служить степень бактериальной фильтрации, показателем комфортности ношения – воздухопроницаемость материала.
        Проведена сравнительная оценка эффективности и комфортности масок, наиболее используемых населением в период пандемии.
    Для определения исследования отобраны медицинская, хлопчатобумажная и неопреновая маски. Бактериальная фильтрация определялась в соответствии со стандартной методикой, изложенной в ГОСТ 12.4.136-84, воздухопроницаемость масок – по разряжению воздуха на приборе ВПТМ-2 производства ООО «Метротекс». Статистический анализ проводился с использованием программы StatTech v. 2.4.1. Рассчитывались количественные показатели (M ± SD, 95 % ДИ для нормального распределения), критерий Фишера (сравнение групп по количественному показателю), коэффициент ранговой корреляции Спирмена (направление и сила корреляционной связи).Прогностическая модель разрабатывалась с помощью метода линейной регрессии.

     Результаты исследования показали, что наиболее высокая бактериальная фильтрация характерна для неопреновой маски, наиболее высокая воздухопроницаемость – хлопчатобумажной. Выявлена зависимость между бактериальной фильтрацией и воздухопроницаемостью.
     По сочетанию изученных характеристик все маски сопоставимы с медицинской маской и могут применяться в качестве барьерного средства для снижения риска распространения инфекций, передающихся воздушно-капельным путем. Является целесообразным дальнейшее изучение масок по совокупности большего числа характеристик эффективности, комфортности и безопасности.

Начавшаяся в декабре 2019 года пандемияCOVID-19, вызванная SARS-CoV-2, все еще представляет угрозу населению всего мира [1]. Несмотря на разработанные эффективные иммунобиологические препараты и масштабную государственную кампанию по вакцинации населения, заболеваемость продолжает расти. Причиной этому служит появление новых штаммов вируса SARS-CoV-2. Поэтому немедикаментозная профилактика COVID-19, в том числе использование защитных масок, остается простым и эффективным способом снижения риска распространения инфекции [2–5].

В разных странах существуют различные подходы к регулированию ношения масок в период пандемии COVID-19. Они учитывают в первую очередь эпидемиологическую значимость и барьерные функции маски, но не основываются на ее гигиенической оценке. ВОЗ рекомендует населению и лицам, работающим в закрытых помещениях либо в непосредственной близости друг от друга (от клиентов), пользоваться немедицинскими (тканевыми) масками, состоящими из трех слоев. Центры по контролю и профилактике заболеваний США рекомендуют использовать минимум двухслойные тканевые маски из хорошо пропускающих воздух материалов, тогда как Европейский центр по контролю и профилактике заболеваний рекомендует медицинские и немедицинские маски, соответствующие рекомендациям по эффективности фильтрации и воздухопроницаемости. В Китае рекомендуются к использованию медицинские одноразовые маски в местах с относительно низким риском заражения и немедицинские в местах с низким риском. В Российской Федерации, как и в ряде других стран, поэтапно вводились административные, организационные, технические, санитарные и гигиенические меры, направленные на предотвращение распространения COVID-19 [6]. В настоящее время ношение гигиенических масок населением в отдельных регионах остается обязательным, работодателям рекомендовано обеспечить работников на рабочих  местах запасом одноразовых масок.

По состоянию на апрель 2022 г., ношение медицинских масок для медицинских работников является обязательным.

Эффективность защиты маски зависит от способности материала, из которого она изготовлена, задерживать капли и аэрозольные частицы, содержащие вирус. Хотя размер вируса SARS-CoV-2 составляет около 0,1 мкм, сами вирусные частицы прикрепляются к частицам воды, которые попадают в воздух при дыхании, чихании, кашле и разговоре с инфицированным человеком. Таким образом, общий размер отдельной инфицирующей частицы вирусов с водой увеличивается и составляет от 5 до 15 мкм [7, 8]. По другим данным, при дыхании человека выделяются частицы влаги размером от 0,1 до 1000 мкм [9]. Размер пор в медицинской маске составляет от 0,3 до 10 мкм, что сопоставимо с размером бактерий. Например, размер бактерии золотистого стафилококка, культура которого используется для определения бактериальной проницаемости средств индивидуальной защиты (ГОСТ 12.4.136-847), составляет 0,8 – 1 мкм в диаметре. Потому маски, рекомендуемые для защиты населения, уменьшают вероятность заражения коронавирусом, а степень бактериальной фильтрации может служить также косвенным показателем эффективности защиты маски при респираторных вирусных инфекциях, в том числе COVID-19. 

Комфортность ношения определяется, прежде всего, воздухопроницаемостью материала, из которого изготовлена маска [10–14]. Данная характеристика определяет, насколько человеку легко дышать через маску, и вероятность появления неблагоприятных эффектов на ношение маски – затруднение дыхания, головная боль, местные кожные проявления.

Цель исследования – сравнительная оценка эффективности и комфортности масок, используемых населением в период пандемии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Определить эффективность бактериальной фильтрации наиболее часто используемых видов масок как показатель эффективности применения.
2. Определить воздухопроницаемость наиболее часто используемых видов масок как показатель комфортности ношения.
3. Провести сравнительную оценку эффективности и комфортности разных видов масок.

Материалы и методы.
Для исследований были отобраны три вида масок с учетом проведенного нами анализа рынка продаж средств защиты органов дыхания, используемых в текущую пандемию [15], а также с учетом рекомендаций по использованию масок в разных странах (табл.1).

Исследуемые виды масок (таблица 1).

Вид маскиОписание вида маски
МедицинскаяОдноразовая медицинская нетканая трехслойная (спанбонд / мельтблаун), с носовым зажимом, с заушными резинками
ХлопчатобумажнаяМногоразовая немедицинская хлопчатобумажная двухслойная, без носового зажима, с заушными резинками, без клапана
НеопреноваяМногоразовая немедицинская неопреновая однослойная, без носового зажима, с заушными резинками, без клапана
Для исследований маски каждого вида были закуплены у одного производителя.
Бактериальную фильтрацию определяли в соответствии со стандартной методикой, изложенной в ГОСТ 12.4.136-84 «Средства индивидуальной защиты. Метод определения проницаемости микроорганизмами». Метод заключается в сравнении количества выросших колоний Staphylococcus aureus, проникших через испытываемую пробу, с количеством колоний микроорганизмов, выросших на контрольных пластинках. Рассчитывался коэффициент бактериальной фильтрации как 1 – (М ÷ М1)·100, где М – среднее арифметическое колоний для каждого образца, М1 – среднее арифметическое колоний в контроле. Исследования проводились в аккредитованном испытательном лабораторном центре.

           Staphylococcus aureus

Воздухопроницаемость масок определяли по разряжению воздуха на приборе ВПТМ-2 производства ООО «Метротекс» (Россия). Перепад давления при прохождении воздуха через образец поддерживался постоянным на уровне 49 Па. Оценивался расход воздуха в литрах в секунду через заданную площадь сечения маски. Для каждого образца проводили 10 измерений. Полученные результаты проверяли на наличие грубых промахов с помощью Q-критерия.

Статистический анализ проводился с использованием программы StatTech v. 2.4.1 (ООО «Статтех», Россия). Количественные показатели оценивались на предмет соответствия нормальному распределению с помощью критерия Шапиро – Уилка. Количественные показатели, имеющие нормальное распределение, описывались с помощью средних арифметических величин (M) и стандартных отклонений (SD), границ 95%-ного доверительного интервала (95 % ДИ). Для сравнения групп по количественному показателю использовался критерий Фишера. Направление и сила корреляционной связи между двумя количественными показателями оценивались с помощью коэффициента ранговой корреляции Спирмена. Прогностическая модель, характеризующая зависимость количественной переменной от факторов, разрабатывалась с помощью метода линейной регрессии.
Результаты и их обсуждение.
Результаты исследования бактериальной фильтрации масок представлены в табл. 2.

Бактериальная фильтрация масок различного вида (таблица 2)

Вид маски Бактериальная фильтрация,%
Результаты исследования Стандартное значение
Медицинская 85,00  ≥958
Хлопковая  62,50  ≥509
Неопреновая 93,75  ≥705

Бактериальная фильтрация всех исследуемых видов масок сопоставима между собой. Бактериальная фильтрация исследуемой медицинской маски не соответствовала стандартному значению. Установлено, что бактериальная фильтрация хлопчатобумажной маски является самой низкой среди всех тестируемых видов масок. Маска из неопрена оказалась менее проницаемой для бактерий, чем медицинская маска, изготовленная из спанбонда / мельтблауна.

В многочисленных исследованиях, в которых в основном изучалась эффективность аэрозольной фильтрации масок, авторами установлено, что медицинская маска обладает лучшей защитой от возбудителя инфекции COVID-19 по сравнению с хлопчатобумажной маской и уступает только респираторам [14, 16–19]. По данным бразильских исследователей, фильтрация неопреновой маски не уступает медицинской [20].

Мы сравнили воздухопроницаемость разных видов масок (табл. 3, рисунок).

По результатам анализа воздухопроницаемости в зависимости от вида маски нами были установлены статистически значимые различия (p < 0,001, используемый метод: F-критерий Фишера).
Согласно требованиям (ТР ТС 017/2011) воздухопроницаемость материалов, имеющих непосредственный контакт с кожей человека, должна быть не менее 100 дм³/м²с. Воздухопроницаемость всех тестируемых масок соответствует данному требованию. Установлено, что хлопчатобумажная маска является наиболее проницаемой для воздуха.

Наши результаты по оценке воздухопроницаемости сопоставимы с данными, полученными другими авторами. Например, воздухопроницаемость хлопчатобумажной маски также оказалась примерно в 2 раза выше, чем у медицинской маски, изготовленной из спанбонда / мельтблауна [13]. Однако авторы из Бразилии показали, что воздухопроницаемость неопреновой маски крайне низка и не соответствует требованиям стандарта [20].

Нами был выполнен корреляционный анализ взаимосвязи бактериальной фильтрации и воздухопроницаемости (табл. 4).

Результаты корреляционного анализа взаимосвязи бактериальной фильтрации и воздухопроницаемости (таблица 4)

Наблюдаемая зависимость бактериальной фильтрации от воздухопроницаемости описывается уравнением парной линейной регрессии:

y = –0,144x + 121,491,

где y – бактериальная фильтрация, x – воздухопроницаемость.

При уменьшении воздухопроницаемости на 1 дм³/м²c следует ожидать увеличения бактериальной фильтрации на 0,144. Полученная модель объясняет 79,0 % наблюдаемой дисперсии бактериальной фильтрации.

Полученные данные доказывают наличие зависимости между воздухопроницаемостью материала, из которого изготовлена маска, и коэффициентом его бактериальной фильтрации. Так, маска из неопрена характеризуется наибольшей бактериальной фильтрацией, но средней воздухопроницаемостью. Это может быть связано с более высокой гидрофобностью неопрена, по сравнению с хлопком, что препятствует проникновению микроорганизмов, распространяющихся по воздуху вместе с частицами воды.

Ограничения исследования.

Мы не исследовали респираторы, поскольку ВОЗ рекомендует их только для медицинских работников, оказывающих помощь заболевшим в условиях, сопровождающихся образованием вирусного аэрозоля¹, а не для ношения населением в целом. Кроме того, цена качественных респираторов, отвечающих требованиям международных стандартов и зарегистрированных в реестре медицинских изделий Росздравнадзора, достаточно высока, что не позволяет их широко использовать.

В дальнейшем необходимо исследовать маски каждого вида разных производителей. Целесообразно исследовать другие свойства масок, влияющие на эффективность, комфорт и безопасность их использования в условиях вынужденного каждодневного применения: гигроскопичность, химический состав, изменение влажности и температуры кожи под маской и т.д.
Выводы.

Самая высокая бактериальная фильтрация была отмечена у неопреновой маски (93,75 %), самая высокая воздухопроницаемость – у хлопчатобумажной маски (397,85 ± 22,99 дм³/м²с).

Установлена и описана зависимость между бактериальной фильтрацией и воздухопроницаемостью (r = 0,889, p = 0,3).

По сочетанию изученных характеристик все маски сопоставимы с медицинской маской и могут использоваться как барьерное средство для снижения риска распространения инфекций, передающихся воздушно-капельным путем.

Необходимо дальнейшее изучение масок по совокупности большего числа характеристик эффективности, комфортности и безопасности.

Авторы статьи

Е.А. Шашина, Е.В. Белова, О.А. Груздева, А.Ю. Скопин, С.В. Андреев, Ю.В. Жернов, А.В. Жукова, Т.С. Исютина-Федоткова, В.В. Макарова, О.В. Митрохин

Оценка бактериальной фильтрации и воздушной проницаемости масок, используемых населением во время пандемии COVID-19 / Е.А. Шашина, Е.В. Белова, О.А. Груздева, А.Ю. Скопин, С.В. Андреев, Ю.В. Жернов, А.В. Жукова, Т.С. Исютина-Федоткова, В.В.Макарова, О.В. Митрохин // Анализ риска здоровью. – 2022. – № 1. – С. 93–100. DOI: 10.21668/health.risk/2022.1.09

Список литературы

  • 1. Coronavirus disease (COVID-19) Weekly Epidemiological update and weekly operational update [Электронный ресурс] // World health organization. – 2021. – URL: https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus2019/situation-reports (дата обращения: 09.11.2021).
  • 2. Сlapham H.E., Cook A.R. Face masks help control transmission of COVID-19 // Lancet Digit. Health. – 2021. – Vol. 3, № 3. – P. e136–e137. DOI: 10.1016/S2589-7500(21)00003-0
  • 3. Physical distancing, face masks, and eye protection to prevent person-to-person transmission of SARS-CoV-2 and COVID-19: a systematic review and meta-analysis / D.K. Chu, E.A. Akl, S. Duda, K. Solo, S. Yaacoub, H.J. Schünemann, COVID-19 Systematic Urgent Review Group Effort (SURGE) study authors // Lancet. – 2020. – Vol. 395, № 10242. – P. 1973–1987. DOI: 10.1016/S0140-6736(20)31142-9
  • 4. Effectiveness of public health measures in reducing the incidence of COVID-19, SARS-CoV-2 transmission, and COVID-19 mortality: systematic review and meta-analysis / S. Talic, S. Shah, H. Wild, D. Gasevic, A. Maharaj, Z. Ademi, X. Li, W. Xu [et al.] // BMJ. – 2021. – Vol. 375. – P. e068302. DOI: 10.1136/bmj-2021-068302
  • 5. An evidence review of face masks against COVID-19 / J. Howard, A. Huang, Z. Lid, Z. Tufekci, V. Zdimal, H.-M. van der Westhuizen, A. von Delft, A. Price [et al.] // Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 2021. – Vol. 118, № 4. – Р. e2014564118. DOI: 10.1073/pnas.2014564118
  • 6. Organizational measures aiming to combat COVID-19 in the Russian Federation: the first experience / V. Reshetnikov, O. Mitrokhin, N. Shepetovskaya, E. Belova, M. Jakovljevic // Expert Rev. Pharmacoec. Outcomes Res. – 2020. – Vol. 20, № 6. – P. 571–576. DOI: 10.1080/14737167.2020.1823221
  • 7. Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary / R. Tellier, Y. Li, B.J. Cowling, J.W. Tang // BMC Infect. Dis. – 2019. – Vol. 19, № 1. – P. 101. DOI: 10.1186/s12879-019-3707-y
  • 8. The airborne lifetime of small speech droplets and their potential importance in SARS-CoV-2 transmission / V. Stadnytskyi, C.E. Bax, A. Bax, P. Anfinrud // Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 2020. – Vol. 117, № 22. – P. 11875–11877. DOI: 10.1073/pnas.2006874117
  • 9. Prather K.A., Wang C.C., Schooley R.T. Reducing transmission of SARS-CoV-2 // Science. – 2020. – Vol. 368, № 6498. – P. 1422–1424. DOI: 10.1126/science.abc6197
  • 10. An accessible method for screening aerosol filtration identifies poor-performing commercial masks and respirators / K. Schilling, D.R. Gentner, L. Wilen, A. Medina, C. Buehler, L.J. Perez-Lorenzo, K.J.G. Pollitt, R. Bergemann [et al.] // J. Expo. Sci. Environ. Epidemiol. – 2020. – Vol. 31, № 6. – P. 943–952. DOI: 10.1038/s41370-020-0258-7
  • 11. Kähler C.J., Hain R. Fundamental protective mechanisms of face masks against droplet infections // J. Aerosol Sci. – 2020. – Vol. 148. – P. 105617. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2020.105617
  • 12. A laboratory-based study examining the properties of silk fabric to evaluate its potential as a protective barrier for personal protective equipment and as a functional material for face coverings during the COVID-19 pandemic / A.F. Parlin, S.M. Stratton, T.M. Culley, P.A. Guerra // PLoS One. – 2020. – Vol. 15, № 9. – P. e0239531. DOI: 10.1371/journal.pone.0239531
  • 13. Performance of fabrics for home-made masks against the spread of COVID-19 through droplets: A quantitative mechanistic study / O. Aydin, B. Emon, S. Cheng, L. Hong, L.P. Chamorro, M.T.A. Saif // Extreme Mech. Lett. – 2020. – Vol. 40. – Р. 100924. DOI: 10.1016/j.eml.2020.100924
  • 14. Xi J., Si X.A., Nagarajan R. Effects of mask-wearing on the inhalability and deposition of airborne SARS-CoV-2 aerosols in human upper airway // Phys. Fluids (1994). – 2020. – Vol. 32, № 12. – P. 123312. DOI: 10.1063/5.0034580
  • 15. Подходы к анализу эффективности средств защиты органов дыхания как мер снижения риска нарушения здоровья во время пандемии COVID-19 / Е.А. Шашина, Т.С. Исютина-Федоткова, В.В. Макарова, О.А. Груздева, О.В. Митрохин // Анализ риска здоровью. – 2021. – № 1. – С. 151–158. DOI: 10.21668/health.risk/2021.1.16
  • 16. Evaluation of Cloth Masks and Modified Procedure Masks as Personal Protective Equipment for the Public During the COVID-19 Pandemic / P.W. Clapp, E.E. Sickbert-Bennett, J.M. Samet, J. Berntsen, K.L. Zeman, D.J. Anderson, D.J. Weber, W.D. Bennett, US Centers for Disease Control and Prevention Epicenters Program // JAMA Intern. Med. – 2021. – Vol. 181, № 4. – Р. 463–469. DOI: 10.1001/jamainternmed.2020.8168
  • 17. Household Materials Selection for Homemade Cloth Face Coverings and Their Filtration Efficiency Enhancement with Triboelectric Charging / M. Zhao, L. Liao, W. Xiao, X. Yu, H. Wang, Q. Wang, Y.L. Lin, F.S. Kilinc-Balci [et al.] // Nano Lett. – 2020. – Vol. 20, № 7. – P. 5544–5552. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c02211
  • 18. Mathematical assessment of the impact of non-pharmaceutical interventions on curtailing the 2019 novel Coronavirus / C.N. Ngonghala, E. Iboi, S. Eikenberry, M. Scotch, C.R. MacIntyre, M.H. Bonds, A.B. Gumel // Math. Biosci. – 2020. – Vol. 325. – P. 108364. DOI: 10.1016/j.mbs.2020.108364
  • 19. Kim M.N. What Type of Face Mask Is Appropriate for Everyone-Mask-Wearing Policy amidst COVID-19 Pandemic? // J. Korean Med. Sci. – 2020. – Vol. 35, № 20. – P. e186. DOI: 10.3346/jkms.2020.35.e186
  • 20. Filtration efficiency of a large set of COVID-19 face masks commonly used in Brazil / F.G. Morais, V.K. Sakano, L.N. de Lima, M.A. Franco, D.C. Reis, L.M. Zanchetta, F. Jorge, E. Landulfo [et al.] // Aerosol Science and Technology. – 2021. – Vol. 55, № 9. – P. 1–15. DOI: 10.1080/02786826.2021.1915466