Impact des paramètres de lavage sur l'efficacité de la filtration bactérienne et la respirabilité des masques communautaires et médicaux

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15853 (2022) Citer cet article

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Les masques faciaux médicaux peuvent-ils être remplacés par des masques faciaux communautaires réutilisables aux performances similaires ? L'influence du nombre de cycles de lavage, de la température de lavage et de l'utilisation de détergent a été évaluée sur les performances d'un masque facial médical (MFM) et de dix masques faciaux communautaires (CFM). Les performances des masques neufs et lavés ont été caractérisées à partir de l'efficacité de filtration bactérienne (BFE) et de la pression différentielle (DP). Les tests sur les nouveaux masques ont montré que les MFM avaient toujours un meilleur BFE que les CFM. Bien que deux des CFM aient montré une valeur BFE supérieure à 95 %, un seul peut être classé comme MFM de type I sur la base des exigences BFE et DP. L'influence des paramètres de lavage a été étudiée sur le MFM et ces deux CMF avec d'excellentes propriétés BFE. Les paramètres n'avaient aucun effet sur le BFE des CFM tandis que le MFM présentait une perte d'efficacité lorsqu'il était lavé avec un détergent. Les DP des masques n'ont pas été impactés par le lavage. Les résultats montrent clairement que même si un compromis doit être fait entre le BFE et la respirabilité, il semble possible de fabriquer des CFM avec des performances similaires à un MFM de type I, sans atteindre les exigences de type II.

Les gouttelettes respiratoires et les aérosols peuvent être générés par diverses activités expiratoires comme la toux, les éternuements et la conversation. Comme le SRAS-CoV-2, d'autres virus respiratoires circulent par voie aérienne via des gouttelettes et des aérosols contenant des particules virales1. Lors de la propagation du SRAS-CoV-2, à l'origine de la pandémie de COVID-19 en 2020, les masques faciaux sont devenus largement acceptés comme moyen de réduire la contamination dans les environnements intérieurs2. Il a été démontré que l'utilisation de masques aide à réduire la propagation du virus puisque les masques faciaux sont principalement utilisés dans le but d'empêcher le porteur infecté de transmettre le virus à d'autres (contrôle à la source)3,4. Cependant, les masques pourraient également protéger les porteurs contre la contraction du COVID-19. En effet, certaines études ont démontré que les masques pouvaient offrir une protection au porteur sain contre les infections (protection)5,6. Les masques faciaux peuvent être distingués en respirateurs, masques faciaux médicaux et non médicaux7. Avant la pandémie de Covid-19, les masques médicaux étaient généralement recommandés dans les services de soins pour le personnel médical. Cependant, en réponse à la pandémie, les gouvernements ont imposé le port de masques dans les lieux publics, ce qui a entraîné une augmentation rapide de la demande de masques médicaux et a par conséquent créé des tensions sur leur approvisionnement. Ainsi, des masques communautaires ou des masques en tissu ont été introduits dans le but de remédier à la pénurie mondiale de masques médicaux8,9,10 et sont utilisés parallèlement aux masques médicaux.

En plus des pénuries, ces masques médicaux à usage unique sont une énorme source de déchets et contribuent au problème déjà existant de la pollution par les microplastiques dans les environnements marins et terrestres11,12,13. Par conséquent, la réutilisabilité des masques devient un sujet d'intérêt croissant. Les masques faciaux communautaires sont donc considérés comme une option plus écologique que les masques faciaux médicaux jetables à usage unique, car ils peuvent être réutilisés plusieurs fois par lavage14,15. Bien qu'initialement conçus à usage unique, étudier la faisabilité de la réutilisation des masques médicaux apparaît également intéressant tant pour des raisons environnementales que d'approvisionnement. Certaines études ont montré que les masques faciaux médicaux peuvent être réutilisés après 10 cycles de lavage16,17.

Bien que la protection des masques faciaux communautaires contre les petites particules soit très variable et généralement inférieure à celle des masques faciaux médicaux18,19, leur utilisation est toujours recommandée pour protéger d'autres personnes contre la transmission du virus SARS-CoV-220. Dans cette étude, nous cherchons à déterminer si certains masques faciaux communautaires disponibles dans le commerce ont des performances qui se rapprochent de celles d'un masque facial médical standard. En plus de cela, nous cherchons également à évaluer l'influence de trois paramètres de lavage sur la performance des masques faciaux communautaires, puis à comparer leur performance à celle d'un masque facial médical, neuf ou lavé dans les mêmes conditions. Les paramètres étudiés comprennent le nombre de cycles de lavage, la température de l'eau et l'utilisation possible de détergent pendant les cycles de lavage.

Les masques médicaux sont soumis à des exigences spécifiques fixées par des normes. En Europe, les exigences de performance sont décrites dans la norme EN 14683:201921 en termes d'efficacité minimale de filtration bactérienne (BFE), de valeurs maximales de pression différentielle (DP), de charge biologique maximale et d'exigences de résistance aux éclaboussures. Dans ce travail, le masque médical et les masques communautaires sont soumis à la norme EN 14683:2019, et nous nous concentrons uniquement sur deux paramètres : le BFE (indiquant la capacité de filtrage du matériau du masque) et le DP (indiquant la respirabilité du matériau du masque). En ce sens, notre étude se démarque des articles déjà publiés sur des sujets connexes car, bien que la réutilisabilité des masques médicaux et des masques communautaires après différents procédés de lavage ou de décontamination ait déjà été publiée, le nombre d'articles utilisant l'efficacité de la filtration bactérienne au lieu d'une mesure d'efficacité réalisée avec des matériaux non biologiques est encore très faible. De plus, une grande originalité est ainsi d'utiliser un bioaérosol pour mesurer l'efficacité de filtration des masques faciaux communautaires après lavage selon la norme exigée pour les masques médicaux afin de pouvoir comparer leurs performances en terme de filtration (mesure BFE) et de respirabilité (mesure DP).

Dix masques faciaux communautaires de différents fabricants français ont été achetés et initialement évalués dans cette étude. Le masque facial médical qui a été utilisé dans cette étude est un masque médical de type IIR certifié selon la norme européenne EN 14683 : AC 2019. Les références des masques sont fournies dans le tableau supplémentaire S1. Des mesures ont été effectuées sur cinq échantillons de chaque type de masque.

L'évaluation du BFE a été réalisée selon la norme EN 14683:2019 pour la performance des masques médicaux et en utilisant une procédure publiée22. Un flux d'aérosol contenant une charge connue de Staphylococcus aureus ATCC 29213 est généré à l'aide d'un nébuliseur à mailles E-flow (Pari GmbH, Starnberg, Allemagne). Les comptages sont exprimés en Unités Formant Colonie (UFC). Le milieu de culture est dilué pour obtenir une concentration d'environ 5 × 105 UFC mL-1 pour les tests. Le nombre moyen d'UFC a été maintenu en moyenne entre 1,7 × 103 UFC et 3,0 × 103 UFC tandis que la taille moyenne des particules (MPS) est maintenue à 3,0 ± 0,3 μm. conformément à la norme EN 14683:2019. Le MPS a été calculé comme suit :

où \(P_{i}\) est le diamètre de coupure efficace à 50 % de chacun des six étages de l'impacteur (allant de 0,65 à 7 µm), et \(C_{i}\) est le nombre d'UFC développées au ième étage lorsqu'aucun masque (série positive) n'est présent dans le système.

L'aérosol généré est ensuite aspiré à travers la chambre aérosol (cylindre en verre de diamètre 60 mm et de longueur 600 mm) à un débit constant de 28,3 L min-1 par une pompe à vide. Les échantillons de masque sont serrés entre la chambre d'aérosol et un impacteur en cascade Andersen à six étages. Chacun des six étages est constitué de 400 orifices et d'une boîte de Pétri en plastique de 90 mm, contenant un milieu de culture gélosé, servant de plaques d'impaction. Selon le diamètre des orifices, des gouttelettes d'une classe de taille donnée impactent la boîte de Pétri et déclenchent la formation d'une colonie de bactéries. Les diamètres de coupure efficaces à 50 % (c'est-à-dire les diamètres de particules correspondant à une efficacité d'échantillonnage de 50 %) pour chacune des six étapes lors d'un fonctionnement à 28,3 L min-1 sont compris entre 7 μm (étape 1), 4,7 μm, 3,3 μm, 2,1 μm, 1,1 μm à 0,65 μm (étape 6).

Chaque échantillon mesurait au moins 100 mm × 100 mm et la zone de test était donc d'au moins 49 cm2 comme l'exige la norme EN 14683:2019. Les tests ont été réalisés en mettant l'intérieur du masque en contact avec les bactéries aérosolisées. Chaque échantillon a été conditionné à 21 ± 5 °C et 85 ± 5 % d'humidité relative pendant au moins 4 h pour atteindre l'équilibre atmosphérique avant le test. Pour évaluer le BFE d'un masque, une série de huit mesures successives doit être effectuée. Tout d'abord, une course de contrôle positif est effectuée sans masque positionné entre l'impacteur en cascade et la chambre d'aérosol. Ensuite, cinq expériences sont réalisées sur des échantillons de test, en changeant le masque pour chaque expérience. Une deuxième expérience de contrôle positif est ensuite réalisée. Enfin, ce cycle de huit expériences consécutives se termine par une course de contrôle négatif dans laquelle l'air est passé, sans ajout de bactéries, à travers l'impacteur en cascade pendant 2 min (cela sert de contrôle de contamination pour vérifier que les bactéries déposées lors de la course positive et les échantillons de test provenaient uniquement de la source de bioaérosol).

Le BFE est calculé comme suit :

où C est la moyenne des deux séries positives du total des UFC des six comptages sur plaque, et T est le total des UFC des six comptages sur plaque pour chaque échantillon de test.

Les boîtes de Pétri ont été incubées à 37 ± 2 °C pendant 22 ± 2 h. Les UFC ont été comptées avec un compteur automatique de colonies Scan 4000 (Interscience).

Les exigences BFE pour différentes catégories de masques médicaux selon la norme EN 14683:2019 sont indiquées dans le tableau 1.

Le test de résistance respiratoire a été réalisé selon la procédure standard EN 14683:2019 et le montage expérimental est présenté à la Fig. 1. Le masque a été fixé entre deux porte-échantillons de section circulaire de 4,9 cm2 et l'air a traversé le masque à un débit d'air fixe de 8 L min-1. La résistance respiratoire a été calculée en mesurant la chute de pression différentielle à travers le matériau du masque. La pression différentielle (DP) a été exprimée en Pa cm-2. Les exigences DP pour différentes catégories de masques médicaux selon la norme EN 14683:2019 sont indiquées dans le tableau 1. BFE et DP fournissent des informations précieuses pour évaluer les mesures individuelles de l'efficacité du masque. Cependant, la dépendance de BFE et DP fournit un facteur de qualité de filtration complet (facteur Q en Pa−1) et permet une comparaison plus robuste entre les médias de filtration en utilisant l'équation suivante :

Montage expérimental pour l'évaluation du DP conforme à la méthode d'essai standard EN14683:2019.

Les analyses de microscopie ont été réalisées à l'aide d'un microscope Leica DM LB avec un modèle de lentille C Plan. Les images ont été prises avec un Bresser MikroCam SP 5.0 à un grossissement de 4×. La microscopie électronique à balayage (SEM) a été réalisée sur les surfaces des masques à l'aide d'un JEOL JSM-6500F. Les échantillons ont été montés sur un support en laiton avec du ruban de carbone double face et recouverts de 14 nm d'or (Quorom Q 150R ES). Les images ont été prises avec une tension d'accélération de faisceau de 5 keV.

Le lavage a été effectué avec une laveuse domestique (Candy Smart CSWS 4852DWE). Après un rinçage et un essorage (400 rpm), les masques ont été séchés à l'air libre. Les masques ont été lavés 10, 30 et 50 fois pour évaluer l'influence des cycles de lavage. Ils ont également été lavés à 30 °C et 60 °C pour étudier l'influence de la température de l'eau et enfin, un détergent à lessive commercial courant (X-Tra Total 3 + 1 Trio-Caps, Henkel Ltd) a été utilisé pour déterminer l'influence de l'ajout d'un détergent.

Les résultats du BFE et du DP des dix masques faciaux communautaires et du masque facial médical lorsqu'il n'est pas utilisé sont présentés dans les Fig. 2a, b et dans le tableau supplémentaire S2 (y compris les valeurs du facteur Q). Selon la procédure standard EN 14683:2019, seul le matériau constituant les masques a été évalué et les fuites ne sont pas prises en compte dans cette étude. Les lignes pointillées horizontales représentent l'exigence de performance EN 14683:2019 ; pour le type IIR (efficacité de collecte ≥ 98 % et pression différentielle ≤ 60 Pa cm−2), le type II (efficacité de collecte ≥ 98 % et pression différentielle ≤ 40 Pa cm−2) et le type I (efficacité de collecte ≥ 95 % et pression différentielle ≤ 40 Pa cm−2).

(a) Efficacité de filtration bactérienne (%) et (b) Pression différentielle (Pa cm−2) pour les masques faciaux médicaux et les masques faciaux communautaires, (valeurs moyennes (N = 5) ± écart-type). CFM correspond à Community Face Masks, 2L correspond à 2 couches et 3L à 3 couches.

Les résultats ont montré que tous les masques répondaient à l'exigence de respirabilité pour les différentes catégories de masques médicaux (type I, type II et type IIR) sauf un masque communautaire (c'est-à-dire CFM-B-3L) qui n'était pas conforme à un masque de type I ou de type II mais dans la limite de conformité d'un masque de type IIR. Le masque facial médical avait l'efficacité de filtration la plus élevée de 99 % et était conforme à la norme de masque facial médical de type II. Il y avait une variabilité dans l'efficacité de filtration des masques faciaux communautaires avec le BFE compris entre 73 et 97%. Seuls 2 masques faciaux communautaires (c'est-à-dire CFM-A-2L et CFM-B-3L) avaient un BFE supérieur à 95 %, l'exigence BFE pour le masque facial médical de type I. Mais tout bien considéré, un seul CFM (c'est-à-dire CFM-A-2L) est conforme à une exigence de masque médical de type I, car la respirabilité du CFM-B-3L est bien supérieure à la limite DP de 40 Pa cm-2. Enfin, les MFM montrent un facteur Q à 60,1 kPa-1 et les CFM dans la plage de 12,1 à 28,4 kPa-1 (voir tableau S2). Ce résultat montre clairement qu'un compromis doit être trouvé entre le BFE et la respirabilité pour fabriquer des masques faciaux communautaires avec d'excellentes propriétés. En d'autres termes, le principal défi technique pour les fabricants est d'obtenir des masques faciaux communautaires à haute efficacité de filtration mais sans sacrifier leur respirabilité.

La filtration des gouttelettes d'aérosol à l'aide d'un masque facial est régie par plusieurs mécanismes : impaction, interception, diffusion et attraction électrostatique9,23. La contribution de chaque mécanisme à l'efficacité de filtration d'un masque facial dépend des matériaux utilisés (différences structurelles poreuses), de la taille des gouttelettes d'aérosol et des conditions de fonctionnement (température, humidité et vitesse de filtration de l'air). Pour les gouttelettes d'aérosol > 1 µm, les mécanismes d'impact et d'interception sont plus importants. Pour les petites particules < 0,1 µm, la diffusion par mouvement brownien est le mécanisme dominant. Lorsque le matériau du masque est chargé, les forces électrostatiques contribuent à la capture des particules, en particulier pour les particules dans la plage de taille de particule la plus pénétrante (MPPS) de 0,1 à 0,5 µm (zone MPPS)24 où aucun mécanisme n'est dominant. Pour la taille moyenne de particules de 3 µm requise pour le BFE, l'impaction et l'interception sont les mécanismes les plus dominants.

La performance des masques faciaux communautaires est influencée par les caractéristiques du tissu, mais les caractéristiques les plus influentes ne sont actuellement pas claires25. Les caractéristiques de surface du matériau utilisé, telles que la distribution de la taille des pores (dans la plage de 113 à 981 µm pour les CFM) ou le diamètre de la fibre (dans la plage de 12 à 18 µm pour les CFM) sont des paramètres importants qui influencent potentiellement les performances des masques26. Les résultats de la distribution de la taille des pores sur CFM et MFM fournis dans le tableau supplémentaire S3 montrent parfaitement que bien qu'une tendance générale évidente semble indiquer que plus la taille des pores est élevée, plus l'efficacité de filtration est faible, il est difficile de faire une corrélation robuste de l'efficacité de filtration uniquement à partir de ces paramètres structurels des masques. Par ailleurs, en matière d'efficacité, ce n'est pas seulement la taille des pores qui est responsable de la capture des aérosols, le diamètre des fibres est également important, en particulier pour les masques en tissu non tissé, comme c'est le cas avec MFM. Selon la taille et le nombre de pores des masques fabriqués à partir de tissus tressés, le flux d'air peut augmenter ou diminuer lors du passage à travers ces pores, augmentant ou non la vitesse d'écoulement.

Les images microscopiques représentatives des masques faciaux communautaires et du masque facial médical sont présentées à la Fig. 3. Par souci de brièveté, seuls 3 des 10 masques faciaux communautaires sont représentés. Les matériaux filtrants fibreux sont généralement constitués de fibres disposées de plusieurs manières. Pour les matériaux non tissés, les fibres sont orientées de manière aléatoire tandis que les matériaux tissés et tricotés contiennent des fils (faisceaux de fibres) qui sont entrelacés les uns aux autres27. Les pores sont formés aux interstices des fils pour les tissus tissés et tricotés alors qu'ils sont formés par de petits espaces entre les fibres individuelles dans les filtres non tissés27. Les espaces entre les fils étaient considérés comme les pores des masques communautaires. Bien que la forme et la taille des pores dans les masques faciaux communautaires ne soient pas uniformes, nous avons essayé d'extraire des informations quantitatives sur la taille des pores inter-fils en mesurant la dimension la plus longue de chaque pore inter-fils à l'aide du logiciel ImageJ. Les mesures ont fourni une estimation de la taille d'un pore inter-fils dans chaque masque facial communautaire : environ 150 μm, 330 μm et 900 μm pour CFM-A-2L, CFM-E-3L et CFM-J-3L respectivement (Fig. 3 et tableau supplémentaire S3). Cela pourrait probablement expliquer pourquoi CFM-A-2L avait l'efficacité de filtration la plus élevée tandis que CFM-J-3L avait la plus faible. Les masques faciaux médicaux sont généralement constitués de 3 couches de fibres de polypropylène non tissées (couches filées, soufflées par fusion et filées). La taille des pores de la couche soufflée par fusion du masque facial médical est estimée à environ 20 μm28,29. La petite taille des pores de la couche soufflée par fusion par rapport aux différents masques faciaux communautaires pourrait éventuellement expliquer son efficacité de filtration plus élevée.

Images de microscopie optique de la structure microscopique de 3 masques faciaux communautaires et du masque facial médical. (grossissement 4× et barre d'échelle rouge correspond à 100 μm). Les images de microscopie optique de tous les CFM sont fournies dans la Fig.S1 supplémentaire.

Dans le cas des CFM étudiés dans cette étude, le nombre de couches du masque n'était pas le paramètre le plus influent. Le CFM-J-3L, qui est un masque à 3 couches, avait le BFE le plus bas tandis que le CFM-A-2L, un masque à 2 couches, avait le BFE le plus élevé. Il semble dans ce cas que la superposition de tissus avec une taille de pores très élevée n'améliore pas nécessairement le BFE ou le DP.

Sur la base des résultats (Fig. 2), 4 catégories de masques peuvent être identifiées :

Premièrement, le masque facial médical qui a un excellent BFE (> 98 % (type II)) et un faible DP (≤ 40 Pa cm−2) est conforme aux exigences des masques médicaux de type II.

Le CFM-A-2L, qui a un bon BFE (> 95% (type I)) et un faible DP (< 40 Pa cm−2), peut être classé dans la catégorie des masques médicaux de type I.

Le CFM-B-3L, qui a un bon BFE (> 95% (type I)) mais un DP trop élevé (≈60 Pa cm−2), ne peut être catégorisé comme un masque facial médical de type I puisque cette bonne efficacité de filtration a été obtenue au détriment de mauvaises propriétés de respirabilité.

Et enfin les 8 autres masques communautaires qui avaient un BFE inadéquat selon les exigences des masques médicaux (70% < BFE < 95%) avec un DP correct (< 40 Pa cm−2).

Pour être efficace, un masque doit à la fois filtrer les particules et permettre à une personne de respirer facilement. La production de masques faciaux communautaires implique généralement un compromis entre le BFE et le DP et, dans certains cas, avoir un BFE élevé se fait au prix d'un DP élevé entraînant une faible respirabilité, comme on le voit pour le CFM-B-3L. Selon les résultats des masques faciaux communautaires, nous avons démontré qu'il est possible d'avoir des masques faciaux communautaires qui fonctionnent de la même manière qu'un masque facial médical. En effet, sur notre panel de 10 masques communautaires, seul 1 répondait aux exigences BFE et DP d'un masque médical de type I, mais n'a pas pu atteindre les exigences de type II comme les masques médicaux choisis dans cette étude. Les masques faciaux communautaires sont faits pour être lavés et comme cela peut altérer les performances, la partie suivante de l'étude vise à évaluer l'influence des paramètres de lavage. Seuls les masques faciaux communautaires qui respectaient l'exigence BFE pour un type I (CFM-A-2L, CFM-B-3L) ont été choisis et comparés au masque facial médical.

Tout d'abord, en se concentrant uniquement sur les paramètres requis par la norme EN 14683:2019 (c'est-à-dire BFE et DP), nous devons souligner que la propriété d'ajustement du visage des masques avant et après les lavages n'a pas été testée. Il est connu que les fuites du joint facial peuvent avoir une plus grande influence sur l'exposition des porteurs aux aérosols et aux bactéries que l'efficacité de la filtration et la forme et l'ajustement du visage d'un masque peuvent changer après un lavage et un essorage vigoureux du masque. Cependant, nous tenons à souligner que, par nature, les masques utilisés dans cette étude ne sont pas conçus pour être portés "serrés" contrairement à d'autres types de masques faciaux comme les respirateurs FFP2 ou KN95. Ainsi, la propriété d'adaptation au visage des masques médicaux n'est pas une propriété imposée par la réglementation de la norme EN 14683:2019 (le masque chirurgical n'étant pas conçu pour être parfaitement étanche). Il n'existe donc pas de protocole réglementaire reconnu pour mesurer cette propriété sur les masques chirurgicaux (contrairement à la norme des respirateurs FFP).

Pour évaluer l'effet des cycles de lavage, les masques ont été lavés 10, 30 et 50 fois à 60 °C avec la lessive. Les résultats du BFE et du DP sont présentés à la Fig. 4. D'après le graphique (Fig. 4b), on observe que le lavage n'a pas eu d'impact significatif sur la pression différentielle du masque facial médical et des masques faciaux communautaires.

Influence des cycles de lavage sur : (a) l'efficacité de la filtration bactérienne (%) et (b) la pression différentielle (Pa cm-2) sur le masque facial médical et les masques faciaux communautaires. Valeurs moyennes (N = 5) ± écart-type.

Concernant les masques faciaux communautaires, les cycles de lavage n'ont pas eu d'impact significatif sur le BFE et ils ont donc pu maintenir leurs performances jusqu'à 50 lavages. Ceci était conforme à une étude précédente de Sankhyan et al.30, qui ont constaté que les masques faciaux communautaires pouvaient être lavés 52 fois sans perte significative d'efficacité de filtration des particules. Pour le masque facial médical, le BFE a diminué de 1 % lorsque les masques ont été lavés mais son DP est resté constant jusqu'à 50 lavages. Alcaraz et al.17 ont également observé une légère diminution du BFE des masques médicaux une fois lavés, mais ont conclu qu'ils pouvaient être lavés jusqu'à 10 fois sans dégradation supplémentaire des propriétés de filtration ou de respirabilité. La raison de la diminution de l'efficacité lors du lavage du masque facial médical est due à la perte de charges électrostatiques qui sera expliquée dans la section "Influence de l'utilisation de détergent sur les performances des masques".

Les images SEM du masque facial médical neuf et lavé (couche fondue) et des masques faciaux communautaires sont présentées à la Fig. 5. Les nouveaux masques faciaux communautaires présentaient des faisceaux de fibres (fils) qui étaient globalement intacts avec une texture relativement lisse. Après 10 lavages, il y a eu une certaine libération de fibres individuelles des faisceaux de fibres et il y a eu une certaine déconstruction des fibres individuelles qui a légèrement augmenté après 50 lavages (Fig. 5a, b). Cela n'a cependant pas semblé impacter les performances des masques, car malgré la libération et la déconstruction, les faisceaux de fibres sont restés globalement intacts. Pour le masque facial médical, très peu de fibres soufflées à l'état fondu présentaient des ruptures (Fig. 5c).

Images SEM (grossissement 200X et barre d'échelle correspondant à 100 μm) de : (a) CFM-A-2L, (b) CFM-B-3L, (c) couche soufflée par fusion du masque facial médical ; pour les masques neufs et lavés soumis à un nombre variable de cycles de lavage.

L'effet de la température de lavage sur les performances des masques a été étudié en faisant varier la température à 30 °C et 60 °C tandis que le nombre de cycles de lavage était maintenu à 10 et le détergent utilisé pour chaque lavage. Les résultats du BFE et du DP pour les masques sont illustrés aux Fig. 6a, b.

Influence de la température de lavage sur (a) l'efficacité de filtration bactérienne (%) et (b) la pression différentielle (Pa cm−2) pour le masque médical et les masques communautaires Valeurs moyennes (N = 5) ± écart-type.

En ce qui concerne les masques communautaires, la température ne semble pas influencer grandement leurs performances (BFE et respirabilité). Les images SEM (voir Fig. Supplémentaire S2a, b) ont montré des niveaux de déconstruction similaires des fibres lavées, ce qui est attribué au masque lavé 10 fois plutôt qu'à la température. Les faisceaux de fibres étaient globalement intacts dans tous les cas.

Pour le masque facial médical, il y a eu une diminution du BFE des masques lavés par rapport au nouveau masque, cependant, la température de lavage n'a pas semblé influencer son BFE. La couche soufflée par fusion du masque facial médical est chargée électrostatiquement par effet corona pour augmenter l'efficacité de la collecte des particules. La stabilité de la charge peut être affectée par la température. Liu et al.31 ont soumis la couche soufflée à l'électret à un traitement thermique à plusieurs températures à différents moments (1 à 24 h) et ont remarqué qu'en dessous de 70 °C, l'effet sur l'efficacité de filtration était minime jusqu'à 24 h de traitement, mais lorsque la température était augmentée à 90 ou 110 °C, l'efficacité de filtration diminuait significativement avec l'augmentation du temps de traitement. Ils l'ont attribué au fait que des températures plus élevées entraînaient une fuite/perte de charge plus élevée, ce qui entraînait par la suite une réduction de l'effet électrostatique. Les températures étudiées dans ce travail n'étaient pas suffisamment élevées pour avoir un impact sur la stabilité de charge de la couche d'électret et peuvent expliquer pourquoi il n'y a pas eu d'impact sur le BFE. Les images SEM (voir la Fig. S2c supplémentaire) montrent également que la température n'a pas affecté la morphologie des fibres. Enfin, le DP du masque facial médical n'a pas été également impacté par le changement de température.

Les masques ont été lavés 10 fois, à 60 °C avec et sans détergent pour déterminer l'influence de l'utilisation de détergent sur leurs performances. Les résultats du BFE et du DP sont présentés sur les figures 7a, b.

Influence du détergent sur (a) l'efficacité de filtration bactérienne (%) et (b) la pression différentielle (Pa cm−2) pour le masque médical et les masques communautaires. Valeurs moyennes (N = 5) ± écart-type.

La présence du détergent ne semble pas avoir d'impact significatif sur le BFE et le DP des masques faciaux communautaires. L'analyse SEM (voir Fig. S3a, b supplémentaire) a également montré que la morphologie des fibres n'était pas significativement affectée par l'utilisation d'un détergent et, encore une fois, la déconstruction des fibres a été attribuée au nombre de cycles de lavage. La morphologie des fibres du masque facial médical n'a pas non plus été affectée de manière significative par l'utilisation d'un détergent, comme le montre la Fig. S3c supplémentaire.

Concernant les masques médicaux, le BFE du masque lavé sans détergent était similaire à celui du nouveau masque mais le BFE était diminué lorsque le masque était lavé avec le détergent. Cela montre que la présence du détergent est probablement responsable de la perte de BFE pour le masque facial médical. Les agents lavants présents dans le détergent sont susceptibles de se fixer à la surface et de provoquer une perte de charges électrostatiques de la couche meltblown électret32,33,34,35. Cette observation a également été mise en évidence par Charvet et al.16 et Alcaraz et al.17. La réduction de l'efficacité n'a été observée que pour les particules submicroniques (taille de collecte de la plaque d'impact entre 1, 1 et 0, 65 μm), comme le montre la Fig. 8. L'impact inertiel et / ou l'interception directe sont les mécanismes de capture de particules dominants pour les particules> 1 μm mais pour les particules submicroniques, d'autres mécanismes, en particulier le mécanisme électrostatique, jouent un rôle important.

Influence des différentes conditions de lavage sur l'efficacité de filtration bactérienne spectrale (%) du masque facial médical Valeurs moyennes (N = 5) ± écart-type.

La perte d'effets électrostatiques pourrait probablement être attribuée à la présence d'agents de surface cationiques dans les assouplissants. Ces composés, notamment les esterquats, possèdent d'excellentes propriétés antistatiques et sont utilisés pour éviter l'accumulation de charges statiques. Ainsi, les composants du détergent ont certainement une forte influence sur la dégradation de l'efficacité de filtration. Par conséquent, la perte de charges électrostatiques causée par le détergent tend à réduire l'efficacité de filtration des particules submicroniques. Charvet et al.16 et Alcaraz et al.17 ont imité la perte de l'effet électret en déchargeant un masque facial médical dans de l'isopropanol. Leurs résultats ont montré que l'efficacité de filtration spectrale d'un masque déchargé par immersion dans l'isopropanol était similaire à celle d'un masque lavé.

La récente pandémie de COVID-19 a entraîné une augmentation de la demande d'utilisation de masques faciaux à travers le monde. En raison des pénuries aux premiers stades de la pandémie et des implications environnementales de la fin de vie des masques médicaux à usage unique, la réutilisabilité de ces masques et l'utilisation de masques communautaires réutilisables présentent un intérêt.

À l'exception d'un masque facial communautaire (c'est-à-dire CFM-B-3L qui était dans la limite de conformité d'un masque facial médical de type IIR), tous les masques testés répondaient à l'exigence de respirabilité pour les catégories de masques médicaux de type I et de type II (c'est-à-dire DP < 40 Pa cm−2). Le masque facial médical avait le BFE le plus élevé de 99 % et était conforme à la norme de masque facial médical de type II. En revanche, il y avait une variabilité dans le BFE des masques faciaux communautaires avec le BFE compris entre 73 et 97 %. Seuls 2 masques faciaux communautaires (c'est-à-dire CFM-A-2L et CFM-B-3L) avaient un BFE supérieur à 95 % (valeur BFE correspondant à une exigence de masque facial médical de type I). La variabilité des performances des masques, en particulier des masques faciaux communautaires, a été attribuée aux caractéristiques du tissu, en particulier à la taille des pores.

Les résultats des masques faciaux communautaires montrent clairement que même si un compromis doit être fait entre le BFE et la respirabilité, il est possible d'avoir des masques faciaux communautaires dont les performances sont similaires à celles d'un masque facial médical de type I (ex. CFM-B-3L).

Pour évaluer l'influence des paramètres de lavage, seuls les masques respectant l'exigence BFE pour un masque facial médical de type I (CFM-A-2L, CFM-B-3L) ont été choisis et comparés au masque facial médical. Ils ont été lavés et séchés 10, 30 et 50 fois, lavés à 60°C et 30°C, avec et sans détergent.

Pour le masque facial médical, bien que toujours conforme à l'exigence BFE et DP pour un masque de type II, le lavage a entraîné une légère diminution du BFE (environ 1%). Il a été observé que la présence du détergent était responsable de cette diminution et qu'elle impactait uniquement l'efficacité de collecte des particules submicroniques en raison de la perte de charges électrostatiques de la couche meltblown. Le lavage et la réutilisation des masques faciaux médicaux peuvent être une solution pour lutter contre l'approvisionnement et les implications environnementales des masques faciaux médicaux pendant les situations de pandémie. À condition que les masques faciaux médicaux restent en bon état et puissent être portés confortablement, ils peuvent être utilisés jusqu'à 50 fois dans des environnements non médicaux sans perte significative de leur efficacité de filtration bactérienne et de leur respirabilité.

Pour les masques communautaires, les différents paramètres n'ont pas influencé leur BFE et DP. Bien qu'une légère libération et déconstruction des fibres ait été observée lors de l'analyse SEM, les fils de fibres étaient globalement intacts. Ainsi, les CFM peuvent être lavés et réutilisés plusieurs fois sans perte significative de performance.

En conclusion, même si le masque médical de type II était le plus efficace, sur la base de notre panel de 10 masques communautaires, 10% ont des performances (à neuf et après lavage) comparables à un masque médical de type I standard.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs remercient l'équipe technique du Département des Systèmes Energétiques et de l'Environnement (DSEE) d'IMT Atlantique et du Département des Matériaux Biologiques et des Particules Inhalées (BioPI) de Mines Saint Etienne pour toute aide technique. Nous remercions Nicolas Curt pour la fabrication du dispositif expérimental de respirabilité. Nous remercions également Mathilde Escot pour son aide au lavage des masques.

The authors acknowledge the financial support from Saint-Etienne Métropole and IMT (Institut Mines-Télécom).

Mines Saint-Etienne, INSERM, U 1059 Sainbiose, Centre CIS, Université Lyon, Université Jean Monnet, 42023, Saint-Étienne, France

Henrietta Essie Whyte, Lara Leclerc, Gwendoline Sarry & Jérémie Pourchez

IMT Atlantique, CNRS, GEPEA, UMR 6144, 4 rue Alfred Kastler, 44307, Nantes, France

Henrietta Essie Whyte, Aurélie Joubert & Laurence Le Coq

CIRI (Centre International de Recherche en Infectiologie), GIMAP Team, INSERM, U1111, CNRS UMR5308, ENS de Lyon, UCB Lyon 1, University of Lyon, University of St-Etienne, Saint-Étienne, France

Paul Verhoeven

Laboratoire des Agents Infectieux et Hygiène, CHU St-Etienne, Saint-Étienne, France

Paul Verhoeven

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PV et JP ont conçu les expériences de filtration bactérienne. HW a mené les expériences et rédigé le manuscrit et tous les auteurs ont contribué à la révision du manuscrit.

Correspondence to Jérémie Pourchez.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Whyte, HE, Joubert, A., Leclerc, L. et al. Impact des paramètres de lavage sur l'efficacité de la filtration bactérienne et la respirabilité des masques communautaires et médicaux. Sci Rep 12, 15853 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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Reçu : 06 mai 2022

Accepté : 12 septembre 2022

Publié: 23 septembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-20354-w

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