Plasma

May 14, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 19944 (2022) Citar este artículo

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Debido a la escasez de equipos de protección personal (EPP) durante la pandemia de COVID-19, ha aumentado el interés y la demanda de dispositivos de esterilización para reutilizar los EPP. Para la reutilización de mascarillas faciales, deben descontaminarse eficazmente de posibles agentes infecciosos sin comprometer su capacidad de filtración durante la esterilización. En este estudio, utilizamos una descarga de barrera dieléctrica pulsada (DBD) a presión atmosférica, combinada con microgotas de líquido nebulizadas para generar niebla activada por plasma (PAM). Se utilizaron bacteriófagos MS2 y T4 para realizar las pruebas de descontaminación en dos tipos de respiradores N95. Los resultados mostraron una reducción de al menos 2 log de MS2 y T4 en respiradores N95 tratados en un ciclo con PAM de peróxido de hidrógeno al 7,8 % y una reducción de al menos 3 log tratados con PAM de peróxido de hidrógeno al 10 %. Además, se encontró que no hubo una degradación significativa en la eficiencia de filtración de los respiradores N95 (3M 1860 y 1804) tratados con peróxido de hidrógeno al 10 % PAM después de 20 ciclos. En cuanto a la reutilización de las máscaras después del tratamiento determinado, se demostró que las correas elásticas de 3M 1804 se fragmentaron después de 20 ciclos de tratamiento, dejándolas inutilizables, mientras que las correas de 3M 1860 no se vieron afectadas negativamente incluso después de 20 ciclos de desinfección.

Desde que se identificó el primer caso en diciembre de 2019, la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19) se ha propagado rápidamente en varios países y la Organización Mundial de la Salud la declaró pandemia en marzo de 20201. El virus que causa la enfermedad COVID-19 se denomina grave síndrome respiratorio agudo coronavirus 2 (SARS-CoV-2) y puede propagarse entre humanos a través de gotitas respiratorias al toser y estornudar, aerosoles al respirar y hablar, y fómites2. Investigaciones anteriores han alentado el uso de máscaras faciales (también conocidas como respiradores) en público para limitar la propagación del COVID-193,4. La máscara quirúrgica puede bloquear gotas, salpicaduras, aerosoles o salpicaduras de partículas grandes que pueden contener gérmenes (virus y bacterias), mientras que el respirador N95 puede filtrar eficientemente las partículas en el aire al menos en un 95 %. Los bordes del respirador N95 están diseñados para adaptarse a la cara del usuario y evitar que el aire que contiene contaminantes llegue a la nariz y la boca del usuario sin filtrarse a través del respirador5. Además de las mascarillas, otros equipos de protección personal (PPE) como guantes, protectores faciales y batas también tenían una gran demanda en todo el mundo a medida que los casos de COVID-19 continúan aumentando6. Al comienzo de la pandemia, el suministro y la distribución de EPP no se han mantenido al día con su alta demanda, lo que obligó a los trabajadores de la salud y al personal de primeros auxilios a reutilizar los EPP, como los respiradores quirúrgicos y N95.

Debido a la escasez de EPP, especialmente respiradores N95, al comienzo de la pandemia de COVID-19, se llevó a cabo una amplia gama de estudios centrados en la descontaminación y reutilización de EPP, incluido el uso de radiación germicida ultravioleta (UVGI), peróxido de hidrógeno vaporizado (VHP), óxido de etileno (EtO), horno de microondas, lejía, tratamiento térmico, etanol, peróxido de hidrógeno líquido, autoclave, alcohol isopropílico, productos de limpieza, agua del grifo, agua y jabón y olla arrocera eléctrica tradicional7. No es sencillo comparar la eficacia de los diferentes enfoques porque se probaron diferentes virus y bacterias con cada método, así como con varios materiales de máscara. Por ejemplo, UVGI puede reducir al menos 3 log de influenza H1N18, mientras que VHP puede lograr 6 log de esporas de Geobacillus stearothermophilus en el respirador N959. Sin embargo, algunos de los métodos, como UVGI, VHP, horno de microondas, lejía, tratamiento térmico y autoclave, disminuyen la calidad del respirador N95 al reducir la eficiencia de filtración o comprometer la integridad del material de las correas de la máscara7.

Se ha demostrado que el plasma no térmico, incluida la exposición directa y la exposición remota, como método de esterilización de superficies y materiales a baja temperatura, es eficaz para la descontaminación microbiana. Los estudios han demostrado que las tecnologías de plasma pueden inactivar patógenos en la superficie de dispositivos médicos10 y productos agrícolas11. En relación con la pandemia de COVID-19, investigaciones recientes han demostrado que el plasma no térmico directo puede inactivar el ARN del SARS-CoV-2 en bioaerosoles12. En otro estudio, pudieron demostrar el uso de la descarga de barrera dieléctrica superficial (DBD) para inactivar un pseudovirus con la proteína SARS-CoV-2 S en entornos de almacenamiento y transporte de cadena de frío13. Además de aplicar plasma directamente a los materiales para la desinfección, también se ha demostrado ampliamente que el agua activada por plasma (PAW) puede actuar como una solución bactericida eficaz14,15. Un enfoque más suave y versátil similar a PAW es la producción de PAM donde las gotas de agua nebulizadas u otras soluciones se exponen a la descarga de plasma. En lugar de sumergir los materiales en PAW, los métodos PAM producen gotas que pueden transportar especies químicas reactivas generadas por plasma con capacidad de inactivación microbiana y viral para esterilizar superficies. Un estudio anterior había demostrado que PAM acumula altas concentraciones de peróxido de hidrógeno y adquiere un pH ácido, lo que crea las condiciones adecuadas dentro de PAM para una potente actividad antimicrobiana16. Las especies reactivas de oxígeno (ROS) y las especies reactivas de nitrógeno (RNS) se consideran el papel más importante de la desinfección en PAM17. ROS incluye principalmente radicales, peróxido de hidrógeno, oxígeno singlete, aniones superóxido y ozono, mientras que RNS incluye principalmente nitrato, nitrito, peroxinitrito, radical óxido nítrico, amoníaco y nitrógeno15. Se ha demostrado que estas ROS y RNS reaccionan con el ADN del virus (doble y simple hebra) y el ARN18,19. Por ejemplo, un estudio anterior mostró que el PAM que contiene ROS y RNS puede inactivar bacterias en la superficie de la col rizada sin dañar la superficie misma20. Por lo tanto, PAM puede tener el potencial de inactivar el SARS-Cov-2 en la superficie de los respiradores N95 sin disminuir su capacidad para proteger al usuario. Además, la combinación de peróxido de hidrógeno en aerosol al 7,8 % y plasma mejoró la eficacia de la inactivación de Salmonella y L. innocua en la superficie de los productos frescos21. Esta combinación también puede ser un método efectivo para tratar el EPP.

En este estudio, nuestro objetivo fue probar la eficiencia de descontaminación microbiana de MS2 y T4, ambos colifagos sin envoltura, en dos tipos de respiradores N95 (3M 1804 y 1860) mediante la aplicación de PAM, cuando la solución que se nebulizaba para crear PAM estaba desionizada (DI) agua o agua que contiene concentraciones variables de H2O2. También queríamos probar la eficiencia de filtración mediante el análisis del tamaño de partículas para ver si hay algún efecto negativo en el rendimiento del material de las máscaras N95.

El prototipo se hizo a partir de un secador de platos eléctrico de 53 L (Fig. 1). Se instaló un DBD de superficie de 20 kHz y 3000 V fuera del secador de platos y se conectó a la cámara interior. Se fijó un recipiente de agua de 750 ml en el costado del secador de platos y se conectó al nebulizador ultrasónico que estaba conectado al reactor DBD.

Esquema del sistema de plasma. Consta de tres cámaras: gran área abierta de 53 L para el PPE, la cámara de plasma (n.° 1 a 6) y la cámara de calentamiento (n.° 7 a 9): 1. Ventilador que empuja el aire hacia la cámara de plasma. 2. Salga de la cámara de plasma donde se introducen gotas mezcladas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno generadas por plasma (RONS) en el área con el PPE. 3. El plasma se genera con una descarga de barrera dieléctrica de 20 kHz y 3000 V. 4. El nebulizador ultrasónico se utiliza para generar microgotas de agua con un diámetro medio de ~ 5 µm. 5. Las microgotas de agua forman una niebla densa que se produce inmediatamente después de la zona de plasma y se mezcla con RONS. 6. Cada ciclo consume 1 ml de agua DI u otras soluciones y nuestro prototipo actual tiene un recipiente de 750 ml. 7. Para el ciclo de aire caliente, el aire (que contiene RON residual y humedad) se aspira desde la cámara con el EPP. 8. La humedad del aire-RONS se calienta a 50 °C para facilitar la eliminación de la química reactiva residual y el secado del PPE. 9. Un ventilador introduce aire caliente en la cámara con el EPP.

Se instaló un programa preestablecido en el sistema a través de Arduino. El programa se utilizó para controlar el tiempo de operación del reactor DBD, el ventilador, el nebulizador y el sistema de secado. En este estudio, configuramos el proceso de desinfección en 3 etapas durante 20 min en total. La primera etapa se configuró como reactor DBD de 5 min, ventilador y nebulizador encendidos; la segunda etapa fue un reactor DBD de 5 min y ventilador funcionando sin el nebulizador; y solo el sistema de secado está encendido durante la tercera etapa durante 10 min. Durante el ciclo de secado, la temperatura a la salida de la zona de calentamiento se incrementó a 50 °C haciendo fluir aire usando un ventilador de computadora estándar a aproximadamente 30 CFM sobre un serpentín de calentamiento resistivo. El voltaje a la bobina fue monitoreado por un microcontrolador Arduino y aumentado o disminuido para mantener la temperatura de la cámara en el valor predeterminado de 50 °C.

La solución de trabajo de dos virus bacteriófagos, MS2 (ATCC 15597-B1) y T4 (ATCC 11303-B4) se almacenó a 4 °C antes de la prueba. La concentración de stock se cuantificó sembrando diluciones apropiadas mediante el método de ensayo de placa superpuesta en LB Agar22. Brevemente, se prepararon placas de agar subyacentes a partir de agar LB (MP Biomedicals). El agar superior se preparó con el mismo tipo de medio pero con menor concentración de agar. La mezcla de 100 μL de stock de MS2 o T4, 100 μL del huésped (Escherichia coli MG1655) y 5 mL de agar de superficie fundida se sembraron en la parte superior del agar subyacente. Después de que solidificara el agar superior, las placas se incubaron a 37 °C durante la noche.

En este estudio se probaron dos respiradores N95 de uso común (3M 1804 y 3M 1860). Se probaron dos lados de 3M 1860 porque estaban hechos de diferentes materiales. Los respiradores N95 se cortaron en cupones de 1 × 6 cm. Se inocularon puntualmente 100 μl de stock de virus en cada cupón. Los cupones se dejaron en una cabina de seguridad de flujo laminar hasta que se secaron (aproximadamente 3 h) antes del tratamiento.

A continuación, los cupones inoculados fueron tratados por nuestro sistema y analizados para la inactivación microbiana. Se trataron de tres a seis réplicas de cupones para cada condición. Se utilizó peróxido de hidrógeno (7,8 % y 10 %) o agua desionizada (DI) para generar la niebla. Se diluyeron diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno a partir de peróxido de hidrógeno al 35% (Arkema). También se realizó un control negativo en cada experimento.

Después del tratamiento, se recuperó T4 o MS2 de los materiales de las mascarillas mediante agitación o vortex en 10 o 15 ml de solución salina tamponada con fosfato estéril (PBS). La capa exterior N95 1860 y el cupón 1804 se extrajeron con 15 ml de PBS; La capa interna de N95 1860 se extrajo con 10 ml de PBS. La agitación durante 20 min a 200 rpm produjo una mayor eficiencia de recuperación que el vórtice durante 1 min, por lo que se utilizó agitación en la mayoría de los experimentos de este estudio (material suplementario Eficiencia de recuperación de MS2 y T4 del material del respirador N95).

Se usó el ensayo de placa de superposición de agar doble para cuantificar los virus viables recuperados en términos de unidades formadoras de placas (PFU). Tampoco se realizaron controles de tratamiento para dar cuenta de cualquier pérdida de virus viables (PFU) no asociada con el tratamiento en nuestro sistema.

La eficiencia de descontaminación se determinó usando la siguiente ecuación, donde Ntratado,avg es el promedio de PFU/cupón de los cupones tratados, y Nuntratado,avg es el promedio de PFU/cupón de los cupones no tratados.

Las propiedades químicas de PAM se determinaron midiendo el pH (Hydrion, rango 0–3 y rango 0–6), NO3− (Quantofix, rango 10–500 mg/L), NO2− (Quantofix, rango 1–80 mg/L ) y peróxido total (Quantofix, rango de 50 a 1000 ppm) a través de tiras reactivas comerciales. Las tiras reactivas se colocaron en el medio de la cámara de nuestro sistema durante un ciclo de descontaminación. Una vez finalizado el ciclo, se leyeron las tiras reactivas comparando la tabla de colores proporcionada por los fabricantes. El agua condensada se recogió cubriendo con papel de aluminio la salida de la cámara de plasma para el tratamiento de 1 ciclo (#2 en la Fig. 1) y luego se midió el pH, NO3- y NO2- mediante tiras reactivas.

La temperatura y la humedad se midieron con un registrador de datos (Elitech GSP-6G). La sonda se mantuvo en el centro de la cámara durante el funcionamiento. El ozono se midió usando absorción UV de longitud de onda estrecha de 254 nm (monitor de ozono modelo 106-M, 2B Technologies, Boulder).

La eficiencia de filtración de los respiradores N95 se realizó antes y después de diferentes números de ciclos de tratamiento (1 o 20 ciclos) en nuestro sistema. Las partículas se generaron en una cámara de acero inoxidable de 400 L y contando las concentraciones de partículas de manera alterna entre muestras de aire (i) directamente de la cámara y (ii) a través del medio filtrante. La eficiencia de eliminación de los respiradores N95 se calculó utilizando la ecuación. (1):

donde η es la eficiencia de eliminación del filtro; y Ccámara y Cfiltro (#/cm3) son las concentraciones de partículas en el aire de la cámara ya través del medio filtrante, respectivamente.

Se generaron partículas de menos de ~ 1 μm utilizando cloruro de sodio (NaCl) en aerosol a través de un sistema de generación de aerosol que consta de estos elementos en serie: un atomizador con una solución de agua DI y cloruro de sodio (NaCl) para generar partículas de NaCl (TSI Aerosol Generator 3076 ); un secador de difusión para eliminar el agua de la corriente de aire (TSI Diffusion Dryer 3062); y un neutralizador para aplicar una distribución de carga de equilibrio estándar (TSI Aerosol Neutralizer 3077A). El aire de la cámara se mezcló con ventiladores para que las concentraciones fueran uniformes. Los medios filtrantes probados se mantuvieron en una carcasa de filtro impresa en 3D. Los caudales se diseñaron de tal manera que la velocidad frontal a través del medio filtrante fuera de 10 cm/s. Las partículas se contaron con un TSI Fast Mobility Particle Sizer (FMPS) 3091, que mide las distribuciones de tamaño cada segundo utilizando 32 canales entre el rango de tamaño de diámetro de 0,0056 y 0,56 μm. El resultado de este procedimiento, para cada medio filtrante probado, es una determinación de la eficiencia de eliminación del filtro para las partículas totales y en función del tamaño de las partículas (con diámetros entre 0,0056 y 0,56 μm). Los resultados de este procedimiento permiten la comparación con los de una prueba N95, que prueba una eficiencia de eliminación del 95 % de partículas de 0,3 μm de diámetro.

Los conjuntos de datos se analizaron utilizando SPSS. El valor P de < 0,05 se considera significativo. Los datos son medias ± desviaciones estándar (DE).

En este estudio se probaron dos tipos de respiradores N95 de uso común. La concentración de MS2 o T4 que se inoculó en los respiradores N95 estuvo en un rango de 6 a 8 log UFP/pieza. El tratamiento de un ciclo de cupones de respiradores N95 en nuestro sistema con agua desionizada PAM mostró una reducción logarítmica de 0,5 a 0,7 de MS2 y una reducción no superior a 0,9 logarítmicos de T4 (Fig. 2 y material complementario Tabla S1). Cuando se utilizó peróxido de hidrógeno al 7,8 % y al 10 % para generar PAM, los resultados mostraron una mayor eficiencia de descontaminación tanto de MS2 como de T4. Las comparaciones de la reducción logarítmica indican diferencias significativas entre los grupos de tratamiento de DI, peróxido de hidrógeno al 7,8 % y al 10 % (ANOVA, p < 0,05). El respirador N95 tratado con peróxido de hidrógeno al 7,8 % PAM en nuestro sistema logró más de 2 log para MS2 y T4. Para PAM de peróxido de hidrógeno al 10 %, nuestro sistema logró una eficiencia de inactivación de 3 log que superó las solicitudes de autorización de uso de emergencia (EUA) de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU. (FDA). FDA EUA solicitó la validación de la reducción de la carga biológica que demuestre al menos 3 log de un desafío de virus sin envoltura23. El tratamiento de un ciclo en nuestro sistema con neblina de peróxido de hidrógeno al 7,8% pero sin plasma logró una reducción de 1,5 log a T4 en N95 1804, mientras que en la misma condición pero con plasma puede lograr una reducción de 2,9 log. Esto significa que el plasma puede mejorar la capacidad de inactivación del peróxido de hidrógeno solo. Además, no hubo una diferencia significativa entre la reducción logarítmica de cualquiera de los bacteriófagos en N95 1804 y 1860.

Eficiencia de descontaminación de MS2 y T4 en respiradores N95 tratados con diferentes composiciones de PAM. N95 1804 tratado con neblina de peróxido de hidrógeno al 7,8 % sin plasma no se probó en MS2. Se encontró que todos los tratamientos redujeron significativamente MS2 o T4 en N95 1804 o 1860 en comparación con el grupo no tratado (P < 0,05, prueba t independiente).

Se utilizaron tiras reactivas comerciales para medir cualitativamente el pH, NO3-, NO2- y el peróxido total. Aunque los resultados no fueron cuantitativamente precisos, el uso de los viajes de prueba comerciales proporcionó una idea de la química del PAM generado (Material complementario, Figura S3). Cuando se usó agua DI como fuente de PAM, las tiras de pH indicaron que el pH de PAM era de alrededor de 1. Mientras que el pH era 0 cuando el peróxido de hidrógeno al 10 % era la fuente de PAM. El NO3- y el NO2- medidos en agua DI PAM fueron 500 y 80 mg/L, respectivamente. Desafortunadamente, los resultados de NO3− y NO2− no fueron concluyentes en PAM con peróxido de hidrógeno al 10 % porque el color del nitrito y la tira de nitrato parecían blanqueados después de un ciclo de tratamiento. Además de colocar estas tiras indicadoras en el dispositivo de tratamiento, también se midieron el pH, el NO3− y el NO2− usando estas tiras en agua condensada recolectada de PAM generada por agua DI (material complementario Figura S3), donde se demostró que el pH de el agua condensada fue 1.5, NO3− y NO2− fueron > 500 y 1 mg/L, respectivamente.

Además de la química de las gotas, también nos interesaba la concentración de especies reactivas de oxígeno, como el ozono, dentro de la cámara de tratamiento. Por lo tanto, la concentración de ozono también se midió en dos ubicaciones de nuestro sistema durante un ciclo de operación, con una ubicación directamente adyacente al reactor de plasma DBD y la segunda ubicación dentro de la cámara de tratamiento donde se colocaron las máscaras (Fig. 3). En la cámara, se demostró que la concentración de ozono aumentó drásticamente y se mantuvo en un nivel alto durante los primeros 10 min. Durante los siguientes 10 minutos, la concentración de ozono disminuyó porque el reactor de plasma DBD se apagó y se encendió el calentamiento. La concentración máxima de ozono en la cámara donde se colocaron las máscaras fue de alrededor de 170 ppm, mientras que la concentración máxima de ozono fue de 215 ppm en el reactor de plasma DBD. Durante el ciclo de tratamiento, la concentración de ozono decayó a 0,03 ppm después de un ciclo completo.

Concentración de ozono medida en la cámara colocada en la muestra (izquierda) y en la cámara del reactor DBD (derecha) durante un ciclo de operación.

Además del ozono, también se midió la temperatura y la humedad en la cámara (Fig. 4). En la Fig. 4, se puede ver durante un ciclo de operación que la temperatura aumentó constantemente desde menos de 30 °C hasta 36 °C, mientras que la humedad aumentó durante los primeros 5 minutos hasta el 90 % mientras el nebulizador estaba en funcionamiento. Cuando se apagó el nebulizador después de 5 min, la humedad disminuyó hasta el 33 % al final del ciclo de tratamiento.

Temperatura y humedad de un ciclo de tratamiento con agua DI PAM.

Se probó la eficiencia de filtración de dos respiradores N95 (3 M 1860) antes de cualquier tratamiento con plasma. Luego, una de esas máscaras se trató durante 1 ciclo en nuestro sistema con agua desionizada como fuente de niebla, y la otra se trató durante 20 ciclos. Sus eficiencias de filtración fueron probadas nuevamente. No hubo cambios perceptibles en la eficiencia de eliminación de la máscara después de 1 o 20 tratamientos. Este resultado indica que no hay degradación del material del filtro que afectaría la eliminación de partículas en el aire o aerosoles por parte del respirador.

Se encontró fragmentación del material elástico en las correas de 3 M 1804 después de un ciclo de tratamiento en nuestro sistema con agua desionizada sola y con peróxido de hidrógeno. Por el contrario, no se observó fragmentación en las correas 3 M 1860 incluso después de 20 ciclos de tratamiento con peróxido de hidrógeno al 10%. Curiosamente, según los detalles de su empaque comercial, las correas de 3 M 1860 están hechas de poliisopreno trenzado mientras que las correas de 3 M 1804 están hechas de poliisopreno. Se necesitan más estudios para investigar cómo PAM, así como otras tecnologías de desinfección, pueden afectar la integridad estructural y la funcionalidad de las correas del respirador después de la esterilización repetida.

El sistema de plasma DBD pulsado utilizado en este estudio es un dispositivo de desinfección a base de plasma pequeño, rentable, fácil de fabricar y distribuir, diseñado para reutilizar EPP en un entorno pandémico, que puede lograr una alta eficacia de descontaminación en un tiempo de tratamiento corto. El ciclo de tratamiento actual se fija en 10 min PAM y 10 min de secado por calor. Tiene el potencial de alcanzar niveles de descontaminación más altos con el uso de diferentes aditivos para el líquido y/o cambiando los parámetros del plasma (por ejemplo, tiempo de tratamiento o potencia del plasma). Se demostró que la mayor concentración de peróxido de hidrógeno aumenta la capacidad de inactivación, pero será necesario probar la calidad de las máscaras N95 después del tratamiento para garantizar que la eficiencia de filtración no se degrade. En el futuro también se debe considerar una concentración más baja de peróxido de hidrógeno, como el 3%, debido a su disponibilidad para el público en general.

Antes de nuestro estudio, el Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) descubrió que la irradiación germicida ultravioleta (UVGI) y el peróxido de hidrógeno vaporoso (VHP) eran métodos más prometedores para descontaminar los respiradores N9524. UVGI con diferentes configuraciones se ha probado en investigaciones anteriores al tratar varios microorganismos en respiradores N95, como esporas de Bacillus subtilis25, virus de influenza8, SARS-CoV-1 y SARS-CoV-226. UVGI tiene una capacidad de inactivación sustancial, pero puede ser desalentado por el efecto de sombreado producido por las múltiples capas de los respiradores N958. Mientras tanto, UVGI puede tener un impacto considerable en la tensión de la correa y la resistencia de las capas de algunos modelos de máscaras N957. Debido a que nuestro sistema es un método de desinfección no térmico y la temperatura durante el ciclo de descontaminación es inferior a 36 °C, puede evitar la disminución del rendimiento de filtración causada por el calor (a 80 °C)7.

El mecanismo de cómo PAM inactiva los microorganismos no está claro, pero investigaciones previas han considerado que PAM actúa como una forma más concentrada de PAW que puede transportar de manera más eficiente las especies reactivas del plasma a la superficie debido a su alta área de superficie interfacial16. En este estudio, encontramos altas concentraciones de nitrato que indicaron la formación de peroxinitrito, que se ha demostrado que contribuye a la inactivación microbiana27. Además, demostramos en este estudio que el plasma mejora la eficacia antimicrobiana del peróxido de hidrógeno, lo que concuerda con investigaciones previas21,28. Una de las razones propuestas por las que el plasma puede mejorar la reactividad del peróxido de hidrógeno se debe a la producción de radicales hidroxilo (OH*), cuando el peróxido de hidrógeno se combina con el ozono en lo que se conoce como proceso de peroxona29. Como se muestra en la Fig. 3, el sistema de plasma puede producir cantidades significativas de ozono que pueden impulsar la siguiente reacción de peroxona:

Además del dispositivo utilizado en este estudio, existe una serie de otros dispositivos de desinfección a base de peróxido de hidrógeno y ozono que han demostrado descontaminar eficazmente las máscaras N95, como STERRAS 100NX (plasma de gas de peróxido de hidrógeno), Bioquell Z- 2 (VHP), Sterizone VP4 (híbrido de peróxido de hidrógeno vaporizado-ozono) y Clēan Flow Mini (UVC, peróxido de hidrógeno, híbrido de ozono)30. Estos dispositivos, excepto el Clean Flow Mini, necesitan una alta concentración de solución de peróxido de hidrógeno (30-59 %)31,32. Aunque se ha demostrado que el plasma gaseoso de peróxido de hidrógeno, que utiliza peróxido de hidrógeno al 59 % en su fase plasmática, tiene un fuerte efecto de inactivación (un promedio de 5,6 log de reducción de MS2), también se ha demostrado que su uso puede disminuir la máscara facial. eficiencia de filtración después de solo 3 ciclos33. Otra desventaja de necesitar altas concentraciones de peróxido de hidrógeno son sus altos costos, así como las políticas que regulan en gran medida el transporte de soluciones tan concentradas. Los resultados de este estudio muestran que es posible diseñar un sistema de plasma con concentraciones más bajas de peróxido de hidrógeno que pueda lograr una inactivación suficiente del virus sin comprometer la eficiencia de filtración de la mascarilla N95.

Aunque los resultados de este estudio indican que PAM se puede utilizar para esterilizar eficazmente las mascarillas N95 para su posible reutilización, hubo algunas limitaciones en nuestro estudio. Por ejemplo, solo probamos la eficiencia de inactivación en materiales de filtro de dos tipos de respiradores N95. No se probaron otros materiales de los respiradores, como correas, grapas, pinzas nasales y espuma nasal. Mientras tanto, otros EPP, como máscaras quirúrgicas, batas de aislamiento, gafas y protectores faciales, deben probarse en el futuro. Estos EPI están hechos de varios materiales. Por ejemplo, los protectores faciales se fabrican con láminas de policarbonato (PC) y poli(tereftalato de etileno) (PET)34. Las mascarillas quirúrgicas suelen estar hechas del mismo material que las mascarillas N95, que es polipropileno (PP)35. Las batas de aislamiento desechables están hechas de fibras sintéticas (p. ej., polipropileno, poliéster, polietileno), mientras que las batas reutilizables generalmente están hechas de 100 % algodón, 100 % poliéster o mezclas de poliéster/algodón36. En este estudio se probaron dos tipos de fagos bacterianos sin envoltura MS2 y T4, pero en el futuro también se deben considerar sustitutos con una estructura más similar al SARS-CoV-2 o a sí mismo, y bacterias grampositivas con mayor resistencia a los desinfectantes. Además de probar esta tecnología en más virus o bacterias en diversos materiales, es necesario realizar más experimentos para determinar las propiedades químicas de PAM. Actualmente, debido a la complejidad de las reacciones interfaciales de plasma y líquido y los pequeños tamaños de gota generados, solo existe una comprensión cualitativa de la química y los procesos de reacción química que ocurren en PAW y PAM desde una perspectiva de modelado teórico37,38. Se necesita realizar más trabajo experimental para verificar o validar estas teorías y mejorar nuestra comprensión de la química dentro de PAM y cómo se pueden utilizar para la esterilización de materiales.

El sistema de esterilización utilizado en este estudio es una tecnología basada en plasma que combina plasma DBD de superficie y agua o neblina de peróxido de hidrógeno. Puede lograr una reducción de al menos 2 log de MS2 y T4 (dos virus sin envoltura) en respiradores N95 tratados en un ciclo con peróxido de hidrógeno al 7,8 % PAM y una reducción de al menos 3 log con peróxido de hidrógeno al 10 %. Mientras tanto, no hubo una degradación significativa de la eficiencia de filtración de 3M N95 1860 y 1804 tratados después de 20 ciclos con agua DI, 7,8 % y peróxido de hidrógeno al 10 % PAM. Aunque tenemos evidencia de que ROS y RNS están presentes en PAM, se necesitan más estudios para confirmar el impacto de estas especies químicas en los mecanismos de inactivación durante el uso de PAM para la desinfección. Si bien existen tecnologías de desinfección que usan neblina de peróxido de hidrógeno solo, nuestros resultados indican que el plasma puede mejorar la eficacia de inactivación de la neblina de peróxido de hidrógeno. El corto tiempo de operación y el pequeño tamaño de nuestro dispositivo brindan un potencial comercial a nuestro sistema.

Todos los datos relevantes para el estudio se incluyen en el artículo o se cargan como información complementaria.

OMS. La OMS declara que el brote de COVID-19 es una pandemia. (2020); Disponible en: https://www.euro.who.int/en/health-topics/health-emergencies/coronavirus-covid-19/news/news/2020/3/who-announces-covid-19-outbreak-a -pandemia.

OMS, Uso racional de equipos de protección personal para la enfermedad por coronavirus (COVID-19): Orientación provisional. Organización Mundial de la Salud (2020).

Eikenberry, SE y col. Enmascarar o no enmascarar: modelar el potencial del uso de mascarillas por parte del público en general para reducir la pandemia de COVID-19. Infectar. Dis. Modelo. 5, 293–308 (2020).

PubMed PubMed Central Google Académico

Li, T. et al. Máscara o no máscara para COVID-19: un estudio de mercado y salud pública. PLoS ONE 15(8), e0237691 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dugdale, CM & Walensky, RP Eficiencia de filtración, efectividad y disponibilidad de mascarillas faciales N95 para la prevención de COVID-19. Pasante JAMA. Medicina. 180(12), 1612–1613 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ranney, ML, Griffeth, V. & Jha, AK Escasez crítica de suministros: la necesidad de ventiladores y equipo de protección personal durante la pandemia de Covid-19. N. ingl. J.Med. 382(18), e41 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Rodriguez-Martinez, CE, Sossa-Briceño, MP & Cortés-Luna, JA Descontaminación y reutilización de respiradores con mascarilla filtrante N95: Una revisión sistemática de la literatura. Soy. J. infectar. Control 48(12), 1520–32 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mills, D. et al. Irradiación germicida ultravioleta de respiradores con pieza facial filtrante N95 contaminados con influenza. Soy. J. infectar. Control 46(7), e49–e55 (2018).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Rodriguez-Martinez, CE, Sossa-Briceño, MP & Cortés, JA Descontaminación y reutilización de respiradores con mascarilla filtrante N95: Una revisión sistemática de la literatura. Soy. J. infectar. Control 48(12), 1520–1532 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Yardimci, O. & Setlow, P. Esterilización con plasma: oportunidades y estrategias de evaluación microbiana en la fabricación de dispositivos médicos. Trans. IEEE. Ciencia del plasma 38(4), 973–981 (2010).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Pignata, C. et al. Una revisión sobre la descontaminación microbiológica de productos frescos con plasma no térmico. Aplicación J. Microbiol. 122(6), 1438–1455 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bisag, A. et al. Inactivación con plasma atmosférico frío de microgotas en aerosol que contienen bacterias y ARN de SARS-CoV-2 purificado para contrastar la transmisión aérea en interiores. Proceso de Plasma. polim. 17(10), 2000154 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, H. et al. Uso de aire tratado con plasma atmosférico frío para la desinfección de COVID-19 en un entorno de cadena de frío. J. física. Aplicación D física 54(40), 40LT01 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Kamgang-Youbi, G. et al. Inactivación microbiana mediante agua activada por plasma obtenida por deslizamiento de descargas eléctricas. Letón. aplicación Microbiol. 48(1), 13–18 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Thirumdas, R. et al. Agua Activada por Plasma (PAW): Química, propiedades físico-químicas, aplicaciones en alimentación y agricultura. Tendencias Ciencias de la alimentación. Tecnología 77, 21–31 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Ranieri, P. et al. Niebla tratada con plasma de descarga de barrera dieléctrica pulsada en microsegundos para la inactivación de Escherichia coli in vitro. Trans. IEEE. Ciencia del plasma 47(1), 395–402 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Liu, D. et al. Especies reactivas acuosas inducidas por una descarga de aire superficial: vías de transferencia de masa heterogénea y química líquida. ciencia Rep. 6(1), 1–11 (2016).

Google Académico

Cadet, J., Douki, T. y Ravanat, J.-L. Daño generado oxidativamente al resto de guanina del ADN: aspectos mecánicos y formación en las células. Cuenta química Res. 41(8), 1075–1083 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Morgan, PE, Dean, RT y Davies, MJ Mecanismos protectores contra los peróxidos peptídicos y proteicos generados por el oxígeno singulete. Radico libre. Biol. Medicina. 36(4), 484–496 (2004).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Shah, U. et al. Efectos de los tratamientos con plasma frío en escherichia coli O157: H7 inoculada puntualmente y la calidad de las hojas de col rizada (Brassica oleracea). innovador ciencia de la comida emergente Tecnología 57, 102104 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Song, Y. & Fan, X. El plasma frío mejora la eficacia del peróxido de hidrógeno en aerosol para reducir las poblaciones de Salmonella Typhimurium y Listeria innocua en tomates uva, manzanas, melón y lechuga romana. Microbiol alimentario. 87, 103391 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Kropinski, AM, Enumeración de bacteriófagos por ensayo de placa de superposición de agar doble. Método Molécula. Biol. 501 (2009).

FDA. Recomendaciones para los patrocinadores que solicitan EUA para sistemas de descontaminación y reducción de carga biológica para mascarillas quirúrgicas y respiradores durante la emergencia de salud pública de la enfermedad por coronavirus 2019 (COVID-19). Orientación para el personal de la industria y la administración de alimentos y medicamentos (2020).

CDC, COVID-19 Descontaminación y reutilización de respiradores con pieza facial filtrante, Prevención de CfDCa, Editor. 2020.

Lin, TH et al. Supervivencia relativa de esporas de Bacillus subtilis cargadas en respiradores con pieza facial filtrante después de cinco métodos de descontaminación. Aire interior 28(5), 754–762 (2018).

Artículo Google Académico

Derraik, JGB et al. Revisión rápida de la viabilidad del SARS-CoV-1 y el SARS-CoV-2, la susceptibilidad al tratamiento y la desinfección y reutilización del EPP, en particular los respiradores con máscara filtrante. En t. J. Medio Ambiente. Res. Salud Pública 17(17), 6117 (2020).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Zhou, R. et al. El agua activada con plasma atmosférico frío como posible desinfectante: el papel crucial del peroxinitrito. química verde. 20(23), 5276–5284 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Golkowski, M. et al. Efluente de plasma no térmico mejorado con peróxido de hidrógeno para aplicaciones biomédicas. Trans. IEEE. Ciencia del plasma 40(8), 1984–1991 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Merenyi, G. et al. Reacción del ozono con peróxido de hidrógeno (proceso peroxona): una revisión de los conceptos mecanísticos actuales basados ​​en consideraciones termocinéticas y químicas cuánticas. Reinar. ciencia Tecnología 44(9), 3505–3507 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Clark, S., et al., Evaluación comparativa de cuatro sistemas basados ​​en peróxido de hidrógeno para descontaminar respiradores N95. Antimicrobiano Mayordomo. Saludc. Epidemiol. 1(1) (2021).

Jatta, M. et al. Reprocesamiento de N95 por esterilización a baja temperatura con peróxido de hidrógeno vaporizado al 59 % durante la pandemia de COVID-19 de 2020. Soy. J. infectar. Control 49(1), 8–14 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Bergman, MS et al. Evaluación del proceso de descontaminación múltiple (3 ciclos) para respiradores con careta filtrante. J. Ing. Fibras Fabr. 5(4), 155892501000500400 (2010).

Google Académico

Wigginton, KR, et al., Validación de los métodos de descontaminación del respirador con pieza facial filtrante N95 disponibles en un gran hospital universitario. Infectar foro abierto. Dis. 8(2) (2020).

Corrêa, HL y DG Corrêa, Aplicaciones de polímeros para la atención médica en la crisis de la pandemia de COVID-19: ¿Seguiremos hablando mal de estos materiales?. Frente. Mate. 7 (2020).

Muzata, TS, Gebrekrstos, A. & Ray, SS Avances recientes en PPE a base de polímeros modificados en la lucha contra COVID-19 y más allá. ACS Omega 6(43), 28463–28470 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kilinc, FS Una revisión de las batas de aislamiento en el cuidado de la salud: propiedades de la tela y la bata. J. Ing. Fibras Fabr. 10(3), 155892501501000320 (2015).

MathSciNet Google Académico

Kruszelnicki, J., Lietz, AM & Kushner, MJ Activación de gotas de agua por plasma a presión atmosférica. J. física. Aplicación D física 52(35), 355207 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Norberg, SA et al. Chorros de plasma a presión atmosférica interactuando con tejido cubierto de líquido: tocar y no tocar el líquido. J. física. Aplicación D física 47(47), 475203 (2014).

Artículo Google Académico

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Este trabajo cuenta con el apoyo, en parte, de la Agencia de Logística de Defensa SUBNET Fase II SBIR (Número de contrato: SP4701-20-C-0028) y el título del proyecto NSF IUCRC C-PEAB "RAPID: Cold Adaptive Atmospheric Plasma Decontamination of COVID-19".

Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental, Universidad de Drexel, Filadelfia, Pensilvania, EE. UU.

Jinjie He, Michael Waring y Christopher M. Sales

C. & J. Nyheim Plasma Institute, Universidad de Drexel, Camden, NJ, EE. UU.

Jinjie He, Alexander Fridman, Alexander Rabinovich y Christopher M. Sales

Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica, Universidad de Drexel, Filadelfia, EE. UU.

Alexander Fridman y Alexander Rabinovich

AAPlasma LLC, Filadelfia, Pensilvania, EE. UU.

Charles Bailey y Gregory Friedman

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JH escribió el texto principal del manuscrito con la ayuda de CS, GF y MWJH y MW llevaron a cabo el experimento. CS, GF, AR y AF supervisaron el proyecto. GF y CB concibieron el estudio y estuvieron a cargo de la dirección y planificación general. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jinjie He.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Él, J., Waring, M., Fridman, A. et al. Nebulización de agua reactiva generada por plasma para la desinfección de respiradores N95 cargados con virus bacteriófagos MS2 y T4. Informe científico 12, 19944 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-23660-5

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Recibido: 31 mayo 2022

Aceptado: 03 noviembre 2022

Publicado: 19 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-23660-5

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