Veera Marttila
BIOPOLYMEERIEN KÄYTTÖ KIRURGISTEN KASVOMASKIEN SUODATUSKERROKSESSA
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta
Kandidaatintyö
Helmikuu 2021
Veera Marttila: Biopolymeerien käyttö kirurgisten kasvomaskien suodatinkerroksessa Veera Marttila: The usage of biopolymers in the filter layer of surgical face masks.
Kandidaatintyö Tampereen yliopisto Materiaalitekniikka 02/2021
Kirurginen kasvomaski on nenä-suusuojain, jonka tehtävä on suojata potilasta ja käyttäjää lääkinnällisten toimenpiteiden aikana. Kirurgisen kasvomaskin ominaisuuksia määrittelee eurooppalainen standardi EN-14683:2019. Kirurgisten kasvomaskien käyttö lisääntyi merkittävästi vuonna 2020 globaalin pandemian vuoksi. Lisääntynyt kasvomaskien käyttö kasvatti maskeista syntyviä jätemääriä. Uusiutuvien luonnonvarojen käyttö kirurgisissa kasvomaskeissa saattaisi vähentää kasvomaskien käytöstä syntyvää ympäristön kuormitusta.
Tässä työssä tutkitaan kirurgisia kasvomaskeja ja niiden valmistuksessa käytettävien materiaalien ominaisuuksia. Työn tavoite on selvittää, voidaanko biopolymeereillä korvata synteettiset polymeerit kirurgisen kasvomaskin suodatuskerroksen materiaalina, sekä pohtia, miksi biopolymeerejä ei vielä käytetä kaupallisesti tässä sovelluksessa. Tämä työ on kirjallisuuskatsaus aiheeseen. Työssä keskitytään kirurgisen kasvomaskin suodatuskerrokseen, suodatusmekanismeihin ja -ominaisuuksiin. Suodatuskerros tekee suurimman osan kirurgisen kasvomaskin suodatuksesta. Suodatuskyky on yksi tärkeimmistä ominaisuuksista kirurgisen kasvomaskin toimivuuden kannalta.
Tutkimuksen tuloksissa todetaan, että biopolymeerien käyttö kirurgisissa kasvomaskeissa on tulevaisuudessa mahdollista. Useat biopohjaiset polymeerit, kuten biopohjainen polypropeeni, sopivat ominaisuuksiltaan kirurgisiin kasvomaskeihin. Biopohjaisia polymeerejä käytettäessä voidaan saada ominaisuuksiltaan täysin samanlainen lopputuote kuin synteettisillä polymeereillä.
Biopohjaisten polymeerien haasteena on pienet tuotantomäärät ja kalliimpi hinta verrattuna öljypohjaisiin polymeereihin. Toinen vaihtoehto on käyttää luonnon polymeerejä kirurgisen maskin suodatuskerroksessa. Tutkimus luonnon polymeerien käytöstä ilmansuodatuksessa on alkutekijöissä, jolloin kaupallistaminen vaatii vielä aikaa ja lisätutkimuksia. Kuitenkin jo tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että luonnon polymeereistä valmistetut nanosuodattimet tarjoavat öljypohjaisiin vaihtoehtoihin verrattaessa monipuolisempia suodatusominaisuuksia ja tehokkaampia suodattimia. Luonnon polymeerien haasteena vähäisen tutkimuksen lisäksi on niiden heikot mekaaniset ominaisuudet, jotka hankaloittavat materiaalin prosessoimista.
Avainsanat: Kirurginen kasvomaski, biopolymeerit, suodatus, suodatuskerros, materiaali, luonnon polymeeri, biopohjainen polymeeri.
Tämän julkaisun alkuperäisyys on tarkastettu Turnitin OriginalityCheck –ohjelmalla.
1. JOHDANTO ... 1
2.KIRURGISET KASVOMASKIT ... 2
2.1 Standardien määrittämät suoritusvaatimukset ... 3
2.2 Luokittelu ... 3
2.3 Materiaalit ja niiden valmistusmenetelmät ... 4
2.3.1Spunbond-menetelmä ... 4
2.3.2Puhallusmenetelmä ... 6
2.3.3Elektrospinning ... 6
2.4 Kirurgisen kasvomaskin rakenne... 7
2.5 Suodatuskerros ja ominaisuudet ... 8
2.6 Patogeenien suodatusmekanismit ... 9
3.BIOPOLYMEERIEN KÄYTTÖ KASVOMASKIEN SUODATUSKERROKSESSA . 11 3.1 Tarve biopolymeeripohjaisille maskeille ... 11
3.2 Biopolymeerien ympäristövaikutukset ... 12
3.3 Biopohjaiset polymeerit ... 13
3.4 Luonnonpolymeerit ... 14
3.4.1 Soijaproteiini ... 15
3.4.2 Gelatiini ... 16
3.4.3 Selluloosa ... 16
3.4.4 Hybridijärjestelmät ... 17
4. YHTEENVETO ... 18
LÄHTEET ... 20
BFE bakteerien suodatustehokkuus
PP polypropeeni
SMS spunbond meltblown spunbond -teknologia
PLA polylaktidi
PVA polyvinyylialkoholi PVP polyvinyylipyrridoli
1. JOHDANTO
Vuoden 2019 joulukuussa Kiinasta levisi virus Covid-19, joka yltyi maailmanlaajuiseksi pandemiaksi. Viruksen leviämisen heikentämiseksi terveysviranomaiset suosittelivat kasvomaskien käyttöä terveysalan henkilökunnalle, sekä yksityishenkilöille. [1] [2] Tämä suositus kasvatti kirurgisten kasvomaskien markkinoita huomattavasti. Markkinoiden kasvu lisää kertakäyttöisistä kasvomaskeista tulevia jätemääriä kuormittaen ympäristöä.
Työn idea lähti pohdinnasta, onko mahdollista löytää kestävämpiä materiaaleja kirurgisten kasvomaskien tuotantoon ja miten erityisesti biopolymeerit toimivat maskin suodatuskerroksessa?
Työn tavoitteena on selvittää, pystytäänkö biopolymeerejä käyttämään kirurgisten kasvomaskien suodatuskerroksessa. Uusiutuvien luonnonvarojen käyttö ja materiaalien mahdollinen biohajoavuus saattaisivat vähentää kirurgisista kasvomaskeista syntyvää ympäristön kuormitusta. Työssä käsitellään, minkälaisia vaatimuksia kirurgisille maskeille asetetaan, ja kuinka hyvin biopolymeerit pystyvät täyttämään näitä vaatimuksia. Pohditaan myös syitä, miksi biopolymeerit eivät ole vielä käytössä tässä sovelluksessa.
Työssä keskitytään kirurgisen kasvomaskin suodatinkerrokseen, koska se on maskin suodatustehokkuuden kannalta keskeisessä osassa. Biopolymeerit on työssä jaoteltu kahteen ryhmään: biopohjaiset polymeerit ja luonnonpolymeerit. Biopolymeerien ominaisuuksia käsitellään yleisesti, ja polymeeriryhmän mahdollisia materiaalivaihtoehtoja esitellään esimerkkien kautta. Työn pääpaino on suodatusominaisuuksissa, mutta materiaalien ympäristövaikutuksia sivutaan lyhyesti työn aikana.
Työn tutkimusmenetelmänä toimii kirjallisuusselvitys. Tutkimus aloitettiin aiheen valinnalla ja rajaamisella. Aiheen valinnan jälkeen siirryttiin lähteiden kartoitukseen.
Lähteisiin perustuneen kootun aineiston avulla analysoitiin ja luotiin tutkimuksen raportti.
2. KIRURGISET KASVOMASKIT
Kirurgiset kasvomaskit määritellään Suomessa lääkinnällisiksi laitteiksi.
Laitemarkkinoiden valvonnasta on vastuussa Lääkealan turvallisuus- ja kehittämiskeskus Fimea. Fimean hyväksymien kirurgisten kasvomaskien ominaisuuksia määrittelee eurooppalainen standardi EN-14683:2019 Medical face masks.
Requirements and test methods [3]. Standardin mukaan kirurgisten maskien käyttötarkoitus on suojella potilasta lääkinnällisten toimenpiteiden aikana sekä joissain tapauksissa suojella käyttäjää potentiaalisten saastuneiden roiskeiden varalta [4]. Kuva 1 havainnollistaa kirurgisen kasvomaskin käyttöä, mitä saatetaan kutsua myös nenä- suusuojaimeksi. On tärkeää muistaa, että globaaleilla markkinoilla kirurgisiin maskeihin ja niiden myyntiin kohdistuu muitakin standardeja ja ohjeistuksia. Tästä esimerkkinä amerikkalainen ASTM F2100-19 Standard Specification for Performance of Materials Used in Medical Face Maks, joka eroaa osittain eurooppalaisesta standardista, mutta sitä ei oteta huomioon tässä työssä.
Kuva 1: Kirurginen kasvomaski ja sen käyttö havainnollistettu mannekiinilla [5].
2.1 Standardien määrittämät suoritusvaatimukset
EN-14683:2019-standardin mukaan kirurgisten kasvomaskien tulee täyttää vaatimustaso neljältä eri ominaisuusalueelta: bakteerien suodatustehokkuus (BFE), hengittävyys, mikrobinen puhtaus ja bioyhteensopivuus. Maskille voidaan määrittää myös roiskeiden vastuskyky, joka on vaatimuksena vaativimmalle maskiluokalle. Kyky vastustaa roiskeita määritetään mittaamalla, kuinka hyvin synteettinen veri läpäisee maskin tietyllä paineella. BFE mittaa prosentuaalisen tehokkuuden, jolla suodatinkerros suodattaa bakteereja. Tämä on maskin ja erityisesti suodatinkerroksen tärkeimpiä ominaisuuksia, jotta maski pystyy täyttämään tarkoituksensa. Maskin hengitettävyys tai ilmanläpäisykyky määritetään tutkimalla paineen muutoksia maskin läpi tietyn ilmavirran, lämpötilan ja kosteuden vallitessa. Vaaditun mikrobisen puhtauden saavuttamiseksi maskit valmistetaan puhdastiloissa. Mikrobisen puhtauden testausta lääkinnällisille laitteille määrittää standardi EN-11737-1:2018 Sterilization of health care products. Mi- crobiological methods. Part 1: Determination of a population of microorganisms on prod- ucts [4]. Jos maskit eivät täytä mikrobisen puhtauden rajoja valmistuksen jälkeen, ne voidaan steriloida ennen pakkauksiin laittoa [6]. Koska maski on suorassa kontaktissa ihmiskehoon, tulee sen materiaalien bioyhteensopivuus ja myrkyttömyys määritellä standardin EN ISO 10993-1:2009 Biological Evaluation of Medical Devices. Part 1: Eval- uation and Testing Within a Risk Management Process mukaisesti [4].
2.2 Luokittelu
EN-14683:2019-standardin [4] mukaan kirurgiset maskit jaotellaan kahteen laatuluokkaan: luokka 1 ja luokka 2. Tämän lisäksi luokassa 2 voi olla erityismaininta maskin roiskeenkestävyydestä. Tämä ilmaistaan ”R”-merkillä laatuluokka 2:n lopussa.
Taulukosta 1 nähdään standardin velvoittamat ominaisuudet eri luokille.
EN-14683-standardin vähimmäisvaatimukset kirurgisille kasvomaskeille, suomennettu lähteestä [4].
Testi Luokka 1 Luokka 2 Luokka 2R
Bakteerien suodatustehokkuus (BFE),
(%) ≥95 ≥98 ≥98
Paine-ero (Pa/cm^2) <40 <40 <60
Roiskeiden vastustuskyky paine (kPa) - - ≥16,0
Mikrobinen puhtaus (cfu/g) ≤30 ≤30 ≤30
Standardin mukaan ainoa ero luokka 1:n ja luokka 2:n maskien välillä on bakteerien suodatustehokkuus, joka on 3 % korkeampi luokka 2:n maskeissa. Jos maski on myös roiskeenkestävä, sen hengitettävyys voi olla hieman huonompi verrattaessa muihin luokkiin. Paine-eron standardin mukaisessa määrityksessä näytekappaleen pinta-ala on
4,9 cm2, joten maksimissaan paineen muutos luokissa 1 ja 2 saa olla 196 Pa. Luokassa 2R se saa olla korkeintaan 294 Pa. Nämä vertailuarvot käsitellään työn kolmannessa luvussa.
2.3 Materiaalit ja niiden valmistusmenetelmät
Yleisimmin kirurgisissa kasvomaskeissa käytetään materiaalina erilaisia kuitukankaita.
Kuitukankaiden käyttö on yleistä tässä sovelluksessa, koska se on valmistusmenetelmänä halpa ja nopea [7]. Valmistaminen on halvempaa verrattaessa kudottuihin kankaisiin, koska yksi välivaihe, langan valmistaminen, jää kokonaan valmistusprosessista pois [8]. Kuitukankailla on korkeampi ilmanläpäisevyys ja korkeampi bakteerien suodatuskyky verrattaessa kudottuihin kankaisiin [7].
Maskeissa käytettävät kuitukankaat valmistetaan teollisuudessa synteettisistä polymeereistä, joiden lähtöraaka-aineena on yleensä raakaöljyn tislaustuotteet.
Tekokuidut soveltuvat maskeihin paremmin hyvän lämpömuovautuvuuden ja alhaisemman hinnan vuoksi, kun tekokuitua verrataan luonnonkuituihin. Tekokuidun etuna on myös materiaalin keveys, hyvä kemikaalien kestävyys sekä hyvät lujuusominaisuudet [8].
Yleisimmin kirurgisissa kasvomaskeissa käytetään polypropeenia (PP). Polypropeeni on termoplastinen polymeeri, joka on materiaalina edullinen ja jonka alhainen sulaviskositeetti helpottaa aineen prosessoimista. Alhainen sulamispiste myös vähentää prosessoinnin energiankulutusta. Polypropeenille edullisia ominaisuuksia on myös kevyt paino ja hyvä kosteuden sieto. [7] [9]
Termoplastinen polymeeri sopii hyvin kierrätykseen, ja polypropeeni voidaankin yleisesti kierrättää noin kuusi kertaa, minkä jälkeen se voidaan polttaa ja käyttää energiana [8].
Kirurgisia kasvomaskeja ei kierrätetä niihin syntyvän kontaminaatioriskin takia, joten ne yleisimmin poltetaan energiaksi tai toimitetaan kaatopaikalle. Muita kirurgisten kasvomaskien valmistuksessa käytettäviä materiaaleja ovat polystyreeni, polykarbonaatti, polyeteeni ja polyesteri [7]. Eniten maskien suodatustehokkuuteen vaikuttavat ominaisuudet ovat riippuvaisia kuitukankaan valmistusmenetelmästä, sekä kankaassa olevien kuitujen muodosta ja paksuudesta [10].
2.3.1 Spunbond-menetelmä
Spunbond-menetelmä koostuu viidestä eri vaiheesta: polymeerin sulatus ja kuljetus, kuidun ekstruusio, kuidun veto, kuidun erottelu ja viimeisenä sidosten muodostus.
Prosessi alkaa kiinteän polymeerin kuljetuksesta suppiloon, minkä jälkeen polymeeri siirtyy ekstruuderiin. Ekstruuderi syöttää polymeerin pumpun kautta puristusmuottiin,
jossa polymeerisula levittyy tasaisesti koko muottiin. Sula poistuu muotista tuhansien millimetrien kokoisten reikien kautta muodostaen filamenttikuituja. Kuidut siirtyvät puristuksen jälkeen pitkään vaakatasoiseen kammioon, jossa on vakuumi-imun aiheuttama ilmanvirtaus. Kammio on merkitty 2 kuvaan numerolla 5. Ilman poikittaisvirtaus jäähdyttää kuidut ja aiheuttaa kuitujen disorientaation ja satunnaistamisen. Kammiossa kuidut vedetään pitkiksi ketjuiksi. Jäähdytyskammion jälkeen kuidut siirtyvät jakelukammioon, jossa turbulentti ilmanvirtaus saa kuidut viuhkautumaan ja kietoutumaan toisiinsa. Jakelukammio on havainnollistettu kuvassa 2 kohdassa 8.Tämän jälkeen kuidut siirretään keräilijälle kankaan muodostukseen.
Muodostettu kangas kulkee vaakatasossa hihnalla lämmitetyn mankelin läpi, joka tiheyttää ja sitouttaa kangasta. Viimeiseksi kangas käytetään jäähdyttävän rullan läpi ennen loppukelausta [11].
Kuva 2: Prosessikaavio spunbond-menetelmästä [11].
Spunbond-menetelmällä kuitukangas saa satunnaisen kuiturakenteen, jonka neliömassa on 5–800 g/m2 v, yleisimmin 10–20 g/m2. Kuitujen halkaisijat ovat 15–30 µm.
Kankaiden paksuus on tyypillisesti 0.2–1.5 mm [12]. Useimmiten kirurgisissa kasvomaskeissa on käytetty tiheydeltään 20 g/m2 polypropeenikangasta [13].
Spunbond-menetelmän kuitukankaalla on korkea lujuus-massasuhde verrattaessa muihin kuitukankaisiin ja kudottuihin kankaisiin. Tämän valmistusmenetelmän kuitukangas vastustaa hyvin rispaantumista ja rypistymistä [12].
2.3.2 Puhallusmenetelmä
Kun puhallusmenetelmää verrattaan spunbond-menetelmään, huomataan, että tärkein ero on puristusmuotissa ja sen jälkeisessä ilmanvirtauksessa. Prosessi on muuten samanlainen spunbond-menetelmän kanssa, siinä käytetään ekstruusiota polymeerin sulatukseen ja jäähdytys ja rullaus tapahtuvat samalla tavalla. Sulapuhalluksen erilainen puristusmuotti on ensimmäinen merkittävistä tekijöistä, jonka avulla saadaan erilaista kangasta verrattuna spunbond-menetelmään. [11] Puhallusmenetelmä on havainnollistettu kuvassa 3.
Kuva 3: Prosessikuva puhallusmenetelmästä [11].
Toinen merkittävä tekijä on puristusmuotin jälkeinen ilmavirtaus, joka tuulee suoraviivaisesti kuitujen kanssa, kun spunbond-menetelmässä ilmanvirtaus on poikittaista kuituihin nähden. Tämä ero ilmavirtauksessa aiheuttaa sen, että kuiduista tulee hienompia kuin spunbond-menetelmässä. [11]
Puhallusmenetelmällä valmistettu kuitukangas on pehmeämpi, sillä on alhaiset lujuusominaisuudet ja siinä on pienempi huokoskoko. Alhaisen lujuuden takia sulapuhallettuja kankaita täytyy usein tukea toisella kankaalla. Kuitukankaiden massa on yleensä 20–200 g/m2, ja menetelmällä saadaan kankaaseen kuituja, joiden halkaisija 0.5–30 µm välillä. Useimmiten menetelmällä valmistetuissa kankaissa kuitujen halkaisija on 2–7 µm. [12] Yleisimmin kirurgisissa kasvomaskeissa on käytössä 25 g/m2 polypropeenikuitukangas [13]. Sulapuhallusmenetelmässä kankaiden mikrokuidut takaavat suuren pinta-alan, mikä edesauttaa hyviä suodatusominaisuuksia [12].
2.3.3 Elektrospinning
Huttenin kirjassa Handbook of Nonwoven Filter Media [11] elektronispinning kuvataan seuraavanlaisesti: ”Prosessi, joka tuottaa nanokuitukankaita soveltamalla suurta jännitevarausta polymeeriliuokseen tai sulaan, ja käyttäen varausta liuoksen vetämiseen kapillaarin päästä maadoitetulle kerääjälle.” Elekrospinning-menetelmällä valmistettujen kuitujen halkaisijat ovat noin 0.25 µm. Kankaat ovat erittäin ohuita ja niillä on erittäin
alhaiset mekaaniset ominaisuudet, jonka takia usein menetelmää käytettäessä kerääjälle asetetaan tukipohja. [11] Elektrospinning-menetelmän avulla saadaan erittäin tehokkaita suodattimia, joilla on erittäin alhainen neliömassa, ohut kerrospaksuus, pieni kuitujen halkaisija ja suuri kuitujen pinta-ala. Tällä menetelmällä pystytään valmistamaan 5–10 kertaa pienempiä kuituja verrattaessa sulapuhallettuihin kuitukankaisiin. [12]
Electrospinning-menetelmää käytetään useimmiten komposiittirakenteisten suodattimien valmistukseen, koska kangas on yksistään mekaanisesti erittäin heikko, eikä sille ole juurikaan sovelluskohteita [12]. Komposiitti on kahden fyysisiltä tai kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaisten materiaalien yhdistelmä, jossa materiaalit muodostavat toimivan kokonaisuuden, kuitenkin sekoittumatta toisiinsa [14].
Menetelmää ei käytetään tällä hetkellä kaupallisten maskien valmistukseen, koska kasvomaskiin tarvittava tehokkuus saavutetaan edullisimmilla menetelmillä, kuten SMS- teknologialla.
2.4 Kirurgisen kasvomaskin rakenne
Kirurginen kasvomaski koostuu kuitukankaisesta maskiosasta ja korvalenkeistä. Näiden lisäksi maskeissa on useimmiten käytössä kuitukankaan sisällä pieni metallilanka, jonka avulla maski saadaan istumaan paremmin käyttäjälle. Parempi istuvuus lisää maskin toimivuutta ja suodatustehokkuutta. Metallilanka sijaitsee maskin yläosassa, ja se sijoittuu käyttäjän kasvoilla nenän kohdalle. [13]
Kaupallisten kasvomaskien yleisin rakenne on kolmikerroksinen. Rakenne on havainnollistettu kuvassa 2. Ensimmäisen ja käyttäjästä katsottuna ulommaisen kerroksen tehtävä on hylkiä nesteitä ja luokan 2R maskeissa se on vedenpitävä.
Keskimmäinen kerros toimii suodatuskerroksena ja sen tehtävä on estää tietyn kokoisten patogeenien ja partikkeleiden kulkeutuminen maskin läpi. Viimeisen kerroksen, joka on lähimpänä käyttäjää, tehtävä on sitoa kosteutta. Viimeisessä kerroksessa käytettävän materiaalin tulee olla ihoystävällinen, koska se on suorassa kontaktissa ihoon maskin käytön aikana. [7]
Kuva 4. Kasvomaskin kolmikerrosrakenne, muokattu lähteestä [7].
Kasvomaskin kuitukankaiden valmistusmenetelminä käytetään useimmiten edellä esiteltyjä puhallus- ja spunbondmenetelmiä [7]. Yleisimmin valmistajat käyttävät SMS (Spunbond Meltblown Spunbond) -teknologiaa. Teknologiassa kolmikerrosrakenne muodostetaan niin, että ulommaiset kerrokset on valmistettu spunbond-menetelmällä ja keskimmäinen kerros sulapuhaltamalla. [10]
2.5 Suodatuskerros ja ominaisuudet
Suodatinkerroksen valmistuksessa käytetään yleisimmin puhallusprosessia.
Puhallusmenetelmässä kuitukangas saa paljon hienomman huokoskoon verrattaessa spunbond-menetelmään. Huokoskoko on yksi tärkeimmistä vaikuttajista suodatinkerroksen suodatusmekanismeihin. Suodatuskerroksen tehokkuutta tarkasteltaessa on tärkein huomioida keskimääräinen huokoskoko, suurin huokoskoko ja huokoskoonjakauma. [15] Kuitujen halkaisijat määrittävät kankaaseen syntyvän huokoskoon. Mitä pienempi kuituhalkaisija, sitä pienempi huokoskoko kankaaseen muodostuu. [16]
Huokoskoko vaikuttaa suoraan maskin bakteerin suodatustehokkuuteen, mutta myös maskin hengitettävyyteen eli paine-eroon maskin läpi. Mitä pienempi huokoskoko tai mitä pienempi alue, jonka läpi ilma kulkee, sitä suurempi on suodatuskerroksen läpi menevä paine-ero. Paine-eron noustessa maskin hengitettävyys heikkenee. Tästä voidaan päätellä, että hyvä maski löytää sopivan tasapainon näiden kahden ominaisuuden välillä.
Suodatinkerrosta suunniteltaessa tulee huomioida patogeenien ja ilmasaasteiden kokoero. Bakteerit ja varsinkin virukset ovat huomattavasti pienempiä verrattaessa ilmansaasteisiin. Tämän takia ilmansuodatukseen suunniteltuja maskeja ei voida suoraan olettaa sopiviksi lääkinnällisiin tarkoituksiin. Bakteerin koko, muoto ja pintaominaisuudet määrittelevät läpäiseekö patogeeni suodatinkerroksen. Esimerkiksi
Staphylococcus aureus on pieni 0.5–0.1µm kokoinen pyöreän mallinen bakteeri, joka on paljon vaikeampi suodattaa verrattaessa Escherichia col:iin, joka on isompi 2.0–6.0µm kokoinen, sauvan muotoinen bakteeri. [15]
Kuva 5: Patogeenien koko verrattaessa ilmansaasteisiin [7].
Kuvassa 3 nähdään, että virukset ovat kooltaan pienimpiä, ja siksi haastavimpia suodattaa. On myös tärkeää huomata, että standardissa puhutaan bakteerien suodatuskyvystä, joka testataan bakteereilla. Standardissa ei huomioida viruksien suodatuskykyä ollenkaan. Ei siis voida todeta, että nykyiset käytössä olevat kirurgiset maskit suojaisivat viruksilta.
Virukset leviävät mm. pisaratartuntana, ilmateitse ja veren välityksellä [17]. Luokan 2R maskit suojaavat roiskeilta eli myös veren välityksellä tulevilta viruksilta. Kasvomaskit myös estävät hengitysteistä tulevien pisaroiden siirtymisen käsiin, mikä vähentää viruksen leviämistä. Haasteena on pääsääntöisesti aerosolitartunnassa leviävät virukset, jolloin virukset leviävät ilmassa alle 5 µm kokoisina pisaroina [17]. Voidaankin olettaa, että viruksien suodatuskyky on kirurgisissa kasvomaskeissa heikompi verrattuna bakteerien suodatuskykyyn. On tärkeää kuitenkin huomata, että kirurgisen kasvomaskin käyttö voi vähentää viruksien leviämistä myös muilla tavoilla kuin pelkästään suodattamalla.
2.6 Patogeenien suodatusmekanismit
Suodatusmekanismit perustuvat mekaanisiin ja elektrostaattisiin ilmiöihin. Yleisin suodatusteoria perustuu partikkeleiden fyysisen kulkemisen estämiseen suodattimen läpi. Kun partikkelin koko on suurempi kuin suodatuskerroksen huokoset, se ei fyysisesti pysty kulkemaan kerroksen läpi. [18]
Isojen partikkeleiden suodatukseen vaikuttaa myös partikkelin liikemäärä. Partikkelit voivat satunnaisesti osua ilmavirtauksen vaikutuksessa kankaan kuituihin. Tätä kutsutaan sieppausmenetelmäksi. Jos partikkelin liikemäärä ja hitausvoima on tarpeeksi
suuri, se pystyy irtautumaan ilman virtaviivaisuudesta ja satunnaisesti osumaan kankaan kuituihin. Menetelmää kutsutaan Inertial separation -mekanismiksi. [18]
Pienempien partikkeleiden suodatusmekanismina toimii niin kutsuttu Brownin diffuusio.
Diffuusio vaikuttaa partikkeleihin, joiden halkaisija on pienempi kuin 1 µm. Brownin diffuusiossa partikkeleilla on satunnainen ja itsenäinen liike, jonka ansioista ne voivat satunnaisesti tarttua ja agglomeroitua kankaassa oleviin kuituihin. Niin sanottujen mekaanisten menetelmien lisäksi vastakkaiset varaukset partikkelin ja kuidun välillä voivat aiheuttaa puoleensavetäviä elektrostaattisia voimia ja siten aiheuttaa partikkelin kiinnittymisen kuituun. [18] Kuvassa 6 on esitelty ja havainnollistettu erilaisten suodatusmekanismien toimintaa.
Kuva 6: Erilaiset suodatusmekanismit, muokattu lähteestä [18].
3. BIOPOLYMEERIEN KÄYTTÖ KASVOMASKIEN SUODATUSKERROKSESSA
Biopolymeerit valmistetaan luonnon lähteistä, joko käyttämällä luonnonpolymeerejä tai polymeroimalla biopohjaisia monomeereja [19]. Biopohjainen materiaali on valmistettu uusiutuvan materiaalin biomassasta, kuten sokeriruo’osta, maissista ja selluloosasta.
Luonnonpolymeereilla tarkoitetaan luonnossa esiintyviä polymeerejä, kuten selluloosaa, tärkkelystä ja erilaisia proteiineja. Biohajoava polymeeri kompostoituu erilaisten mikro- organismien avulla pieniin molekyylikomponentteihin. [20] Biopolymeerejä tutkiessa on hyvä muistaa, että biopolymeerit voivat olla myös biohajoavia, mutta se ei koske kaikkia ryhmään laskettavia polymeerejä. Vastaavasti myös osa öljypohjaisista polymeereista voi olla biohajoavia, vaikka eivät olekaan biopohjaisia. [21]
3.1 Tarve biopolymeeripohjaisille maskeille
Kuten aiemmin on jo todettu, tällä hetkellä teollisessa mittakaavassa valmistetut kasvomaskit tehdään synteettisistä polymeereistä. Koronaviruspandemian takia kirurgisten maskien käyttö on kasvanut ennestään. Arvion mukaan Kiinan kasvomaskien tuotanto kaksinkertaistuu vuonna 2020 5 biljoonasta 10,1 biljoonaan maskiin vuodessa.
[22] Tämä kaksinkertaistaa myös maskeista syntyvät jätemäärät, koska kirurginen kasvomaski on kertakäyttötuote.
Oikein kierrätettynä maskeista voidaan poltettaessa saada energiaa, koska niiden energia-arvo vastaa lähes raakaöljyn energia-arvoa. Haasteena on kuluttajien erilaiset tavat suhtautua kierrätykseen. Negatiivinen suhtautuminen kierrätykseen ja roskiksien puute, saattavat lisätä kasvomaskijätteiden määrää luonnossa [23]. Tämän takia, voidaan olettaa, että ympäristön kannalta parhaita keinoja olisi tuottaa ekologisia maskeja, jotka palautuisivat luonnossa takaisin biomassaksi tai vaikuttaa suoraan kuluttajien kierrätyskäyttäytymiseen. Haasteena on ekologisuuden lisäksi tuottaa maskeja, jotka ovat myös kustannustehokkaita, standardit täyttäviä, kevyitä ja mukavia käyttää.
Pandemia saattaa myös muuttaa kasvomaskien globaalia kulutusta pysyvästi suuremmaksi kuin aiemmin. Suojaavien maskien markkina-arvon on arvioitu nousevan vuoden 2019 1 biljoonasta 2.8 biljoonaan vuoteen 2026 mennessä. [24] Kun pohditaan maskien valmistusta kestävän kulutuksen kannalta, tulisi valmistuksessa pyrkiä käyttämään uusiutuvia luonnonvaroja.
3.2 Biopolymeerien ympäristövaikutukset
Öljypohjaisten polymeerien suurimpia haasteita on niiden käytöstä aiheutuvat haitat ympäristölle. Niiden kierrätys on hankalaa, ja kuten aiemmin tässä työssä on todettu, kontaminaatioriskin takia kirurgisia maskeja ei voida kierrättää muuten kuin polttamalla.
Biopolymeerien avulla raaka-ainelähde ei ole enää fossiilinen, sekä mahdollisesti polymeeri pystyy biohajoamaan käyttöiän lopuksi, jolloin ei synny hitaasti hajoavaa jätettä. [7] On todistettu, että patogeenit eliminoituvat kompostiolosuhteissa, jos ne altistuvat tarpeeksi kauan korkealle lämpötilalle [25].
On kuitenkin hyvä huomata, että osa biohajoavista polymeereistä eivät kompostoidu ns.
kotikompostissa tai hajoa luonnossa nopeasti takaisin biomassaksi, vaan vaativat teollisen kompostointiympäristön hajotakseen takaisin biomassaksi [26]. Teollinen kompostointi vaatii energiaa ja siten lisää materiaalin hiilidioksidi- tai energiapäästöjä elinkaariarvioinnissa. Elinkaariarvioinnissa tarkastellaan materiaalin tai tuotteen koko elinkaaren aikana aiheuttamia ympäristövaikutuksia [27]. Elinkaariarvioinnille on luotu yhteinen kansainvälinen standardi, mutta silti saman materiaalin elinkaariarvioinnit saattavat erota toisistaan, jolloin tulokset eivät ole vertailtavissa. Esimerkiksi tutkimuksien metodologiset erot saattavat aiheuttaa isojakin eroja tuloksissa. [28]
Yates & Barlow vertailivat [28] polylaktidille(PLA) tehtyjä elinkaariarviointeja.
Tutkimuksessa huomattiin, että PLA:n hiilidioksidimäärä kilogrammaa kohden oli osassa tutkimuksissa hyvin lähellä polypropeenista saatuja arvoja. PLA-pelletin ns. global warming effect oli 2,02 (kg CO2 eq), kun PP:n vastainen arvo oli 2,0 (kg CO2 eq).
Samassa tutkimuksessa tarkasteltiin myös materiaalin uusiutumattoman energian käyttöä elinkaaren aikana, jossa PLA:n arvo on 50.9 MJ, ja vastaavasti PP:n on 73,4 MJ.
Tästä huomataan, että PLA:n arvo on huomattavasti pienempi, kun huomioidaan ympäristövaikutuksia toisesta näkökulmasta.
On siis tärkeää muistaa, että biopolymeerien raaka-aineen kasvatukseen ja valmistukseen kuluu energiaa, joka tulee vielä pääosin fossiilisista polttoaineista.
Tulevaisuudessa haasteena on myös viljelysmaiden määrä, jonka on arvioitu olevan liian pieni ruuan, polttoaineiden ja muovien fossiilisen tuotannon korvaamiseen. [28] Toisaalta biopolymeerin raaka-aine kasvaessaan sitoo itseensä hiilidioksidia ja tuottaa happea fotosynteesin kautta, jolloin se pystyy kompensoimaan hiilidioksidipäästöarvojaan.
Kun mietitään öljypohjaisten polymeerien korvaamista biopolymeereillä, usein ympäristövaikutusarvioinnissa painotetaan eriasioita. Biopolymeerit ovat parempi valinta raaka-ainelähtökohdasta katsottuna, mutta hiilidioksidipäästöjä tutkittaessa öljypohjaiset vaihtoehdot saattavat jossain tapauksissa olla parempia. Teknologioiden ja uusiutuvien
energiavarojen kehittyessä tilanne saattaa muuttua, mutta tällä hetkellä biopolymeerien ympäristövaikutusten paremmuus öljypohjaisiin polymeereihin verrattuna on osittain subjektiivista.
3.3 Biopohjaiset polymeerit
Biopohjaisten polymeerien valmistuksessa käytettyyn biomassaan soveltuu mm.
sokeriruoko ja maissi. Polymeerejä voidaan valmistaa esimerkiksi etanolista, butanolista tai propanolista. Edellä mainitut alkoholit voidaan valmistaa myös fermentoimalla sokeria, jolloin saadaan biopohjaista polymeeria. [29] Biopohjaisten polymeerien ominaisuudet ovat samat kuin synteettisesti valmistetuilla polymeereillä. Tästä voidaan olettaa, että biopohjaisten materiaalien käyttäytyminen kuitukankaissa on samanlaista kuin synteettisillä. Tällöin myös hengitettävyys, bakteerien suodatustehokkuus ja -tavat pysyvät samanlaisina.
Biopohjaisia polymeerejä käytetään tällä hetkellä pääasiassa pakkausteollisuudessa ja tekstiilien osuus biopohjaisten polymeerien markkinoista on vain 11%. Biopohjaisten polymeerien tuotantomäärät ovat pienempiä, jolloin kasvomaskien valmistukseen tarvittavia materiaalimääriä ei pystytä tällä hetkellä korvaamaan biopohjaisella vaihtoehdolla. Haasteena on myös biopohjaisen polypropeenin massatuotannon oleminen edelleen tutkimus ja kehitystasolla. [29]
Suurin osa tällä hetkellä kaupallisissa maskeissa käytettävistä polymeereista pystytään valmistamaan myös biomassasta. Ainut merkitsevä ero biopohjaisten ja synteettisten materiaalien välillä on kustannukset. Biopohjaisten polymeerien materiaalihintaa on vaikea arvioida, koska esimerkiksi polypropeenin kohdalla kehitys on vielä kesken.
Kuten aiemmin on mainittu, kirurgisten kasvomaskien valmistuksessa voidaan käyttää myös polyeteeniä. Biopohjaisen polyeteenin kilohinta on noin 30% suurempi verrattuna öljypohjaiseen polyeteeniin. [29] Oletettavasti kirurgisen kasvomaskin hinta nousisi vähintään 30% materiaalikustannusten nousun takia. Tärkeää on huomata, että tuotantoteknologioiden parantuessa hintaero laskee, jolloin tulevaisuudessa hintaero voi olla pienempi.
Polylaktidi (PLA) on eniten tutkittu ja hyödynnetty biopohjainen polyesteri, joka on myös biohajoava. PLA on termoplastinen polymeeri, jolla on korkea lujuus ja moduuli. Siitä pystytään helposti prosessoimaan mm. kalvoja ja kuituja. Verrattaessa öljypohjaisiin polymeereihin, PLA:n valmistuksessa kuluu 25-55% vähemmän energiaa. PLA on myös bioyhteensopiva, ja siksi sitä käytetään paljon lääkinnällisissä kohteissa. [30]
Polylaktidissa on myös heikkouksia, se on hauras materiaali, joka rikkoutuu helposti.
Toisaalta taas sen vahvuuksina on hydrofobisuus, eli se ei sido itseensä hengitysilmassa olevaa vesihöyryä. [30] Tämä on tärkeä ominaisuus, koska veden sitominen saattaa heikentää materiaalin suodatusominaisuuksia.
Wang et al. tutkimuksessa [31] selvitettiin PLA:sta valmistettujen kuitumembraanien ilmansuodatustehokkuutta. Kuidut valmistettiin elektrospinning-menetelmän avulla.
Menetelmällä saatujen kuitujen halkaisija oli 274 nm ja kuitukankaan keskimääräinen huokoskoko oli noin 3.27 µm. Suodatustehokkuus oli erittäin hyvä 99.997% ja paineenmuutos 165.3 Pa. Tulokset eivät tosin ole täysin vertailtavissa, koska testissä käytetty virtausnopeus on huomattavasti pienempi verrattuna EN-14683:2019- standardin mukaisessa suodatustehokkuuden testauksessa [4].
Tutkimus antaa lupaavia merkkejä siitä, että tulevaisuudessa teknologian kehittyessä PLA:n käyttö biohajoavana suodatinmateriaalina on mahdollista. PLA:n haurautta pystytään vähentämään sekoittamalla sitä muihin materiaaleihin. PLA:lla on korkeampi lujuus verrattuna luonnonpolymeereihin, ja yhdistämällä sitä muihin materiaaleihin, voitaisiin saada luotua tehokkaita ja mekaanisilta ominaisuuksiltaan sopivia suodatinmateriaaleja.
3.4 Luonnonpolymeerit
Luonnonpolymeerejä ovat erilaiset proteiinit ja polysakkaridit. Luonnonpolymeerit ovat kiinnostava vaihtoehto synteettisille polymeereille, niiden ekologisuuden, biohajoavuuden ja bioyhteensopivuuden takia. Tässä työssä esitellään kolme mahdollista polymeeriä tulevaisuuden kirurgisten maskien suodatinkerrokseksi. Tässä työssä oletetaan, että ilmansuodatusominaisuudet ovat verrattavissa bakteerien suodatukseen, jos testauksessa käytettyjen partikkeleiden kokoluokka on vähintään 0.3µm.
Tutkimus luonnonpolymeerien käytöstä ilman ja bakteerien suodattimina on vielä hyvin alussa ja kaupallistamiseen on vielä pitkä matka. Kaupallistamista hidastaa raakaöljyn edullisuus ja hyvä saatavuus, biopolymeerien prosessoimisen tehottomuus ja pienet tuotantoerät. [32]
Biopolymeeri tutkimus on keskittynyt nanosuodattimien kehittämiseen. VTT:n oppaassa selluloosananomateriaaleihin nanomateriaali on määritelty seuraavasti: ”materiaali, jolla ainakin yksi dimensio on nanoluokkaa eli alle 100 nm [33].” Nanosuodattimilla saadaan lisää tehokkuutta verrattaessa tällä hetkellä käytössä oleviin mikrotason suodattimiin.
Nanoteknologialla saadaan myös paljon monipuolisempia ominaisuuksia, jolloin
pystytään suodattamaan partikkeleita ja kemiallisia saasteita yhtäaikaisesti.
Nanosuodattimet pystyvät myös monipuolisemmin suodattamaan ilmateitse leviäviä viruksia. Nanosuodattimista valmistetut kasvomaskit eivät ole vielä kaupallistettuja, joten tiedot materiaalien tai lopputuotteen hinnasta eivät ole vielä saatavissa. [34]
Luonnonpolymeerien hyviä puolia on niiden monet funktionaaliset ryhmät molekyylirakenteessa [35], mikä mahdollistaa edellä mainitut monipuolisemmat suodatusominaisuudet. Luonnosta saatavien raaka-aineiden kanssa on aina haasteita.
Biopolymeerit sitovat usein vettä, mikä hankaloittaa niiden käyttöä kirurgisissa maskeissa, koska hengityksen mukana tulee vesihöyryä. Ne ovat myös usein mekaanisesti heikkoja ja vaikeita prosessoida. [34]
3.4.1 Soijaproteiini
Soijaproteiinia kerätään soijapavuista, joka on yksi maailman viljellyimmistä kasveista.
Soijaproteiinista käytetään kolmea eri variaatiota: Soijaproteiini-isolaatti, soijaproteiini konsentraatti ja soijajauho. Isolaatissa on suurin proteiiniosuus yli 90%, konsentraatissa n. 70% ja jauhossa n. 52%. Materiaali on kustannuksiltaan halpaa ja sen saatavuus on hyvä. Soijaproteiini on mekaanisilta ominaisuuksiltaan heikko ja hauras, joten sen käsittely yksinään on haastavaa. Tämän takia tutkimuksissa soijaproteiini usein sekoitetaan toiseen polymeeriin paremman käsiteltävyyden saamiseksi. Esimerkiksi Souzandeh et al. tutkimuksessa [34] soijaproteiini-isolaattiin sekoitettiin polyvinyyli alkoholia (PVA), jonka ansiosta nanosuodatuskerros pystyttiin valmistamaan electrospinning-menetelmän avulla. Tutkimuksessa huomattiin, että 1:1 suhde soijaproteiinia ja PVA:ta toi pienimmän 136 nm kuituhalkaisijan. Soijaproteiinipohjaiset suodattimet ovat antaneet yli 98.70% suodatuskyvyn 0.3 µm ja 2.5 µm partikkeleille.
Suodattimen paineen muutos oli tutkimuksessa 205 Pa.
Ma et al. tekemän tutkimuksen [36] mukaan nanokuitumembraanien keskimääräinen huokoskoko on noin kolme kertaa suurempi kuitujen keskimääräiseen halkaisijaan verrattaessa. Tutkimuksen tuloksiin verrattaessa Souzandeh et al. tutkimuksen [34]
soijaproteiini ja PVA sekoituksen huokoskoko olisi n. 408 nm.
Soijaproteiinin kemiallisessa rakenteessa on 18 aminohappoa, jotka omaavat aktiivisia funktionaalisia ryhmiä. Nämä ryhmät omaavat negatiivisia ja positiivisia varauksia, joiden avulla ne pystyvät vuorovaikuttamaan elektrostaattisilla voimilla ilman patogeeneihin.
Aminoryhmät mahdollistavat myös muita vuorovaikutukseen perustuvia mekanismeja, kuten vetysidosten syntymisen kuidun ja partikkelin välille. [34]
EN-14683:2019-standardin mukaan kasvomaskien täytyy suodattaa yli 98%
bakteereista [4]. Bakteerien kokoluokka vaihtelee yleisesti 0.2–2.0 µm välillä [7].
Paineenmuutos on myös hyvin lähellä standardin asettamaa 196 Pa:n rajaa maskien hengitettävyydelle. Soijaproteiinille tehdyn tutkimuksen tulokset osoittavat, että siinä on paljon potentiaalia tulevaisuuden suodatinmateriaaliksi. Mekaaniset ominaisuudet tuovat haasteensa, joten todennäköisempää tulevaisuudessa onkin sen käyttö yhdessä jonkin toisen materiaalin kanssa.
3.4.2 Gelatiini
Gelatiini valmistetaan denaturoimalla kollageenista. Se on yksi runsaammin saatavilla olevista eläinproteiineista. Myös gelatiinilla on kemiallisessa rakenteessa funktionaalisia ryhmiä, jotka lisäävät suodattimen vuorovaikutusmekanismeja. Gelatiini on mekaanisesti vahvempaa kuin soijaproteiini, jolloin sen jatkojalostaminen on helpompaa yksinään. [34]
Souzandeh et al. toisessa tutkimuksessa [35] gelatiinisuodattimia valmistettiin elektrospinning-menetelmällä. Gelatiininanokuidut valmistettiin gelatiiniliuoksesta vesipitoisen etikkahapon avulla. Korkealla etikkahappopitoisuudella saatiin erittäin yhtenäisiä kuituja, joiden kuituhalkaisija oli n. 70 nm. Pienemmällä etikkahappopitoisuudella muodostui suurempia n. 450 nm kuituja, joilla oli epätasaisempi kuituhalkaisijan jakauma. Ma et al. tutkimukseen [36] viitaten huokoskoko oli tutkimuksessa pienimmillään n. 210 nm.
Ensimmäistä kertaa huomattiin, että gelatiininanokuiduilla on erittäin korkea suodatustehokkuus niin 0.3–2.5µm partikkeleille (99.3%), sekä monille myrkyllisille kaasuille kuten hiilimonoksidille ja formaldehydille. Korkea suodatustehokkuus saatiin 70 nm kuituhalkaisijalla. Tutkimuksessa suodattimen paineen muutos saatiin 200 Pa. [35]
Gelatiininanomembraanit täyttävät tutkimuksen mukaan EN-14683:2019-standardin [4]
vaatimukset suodatustehokkuuteen liittyen ja paineenmuutos eroaa standardista alle 5 Pa:lla.
3.4.3 Selluloosa
Selluloosa on lineaarinen polysakkaridi, joka toimii kasvien soluseinien rakennusaineena. Selluloosaa on monissa nykypäivän vaatekuiduissa, kuten puuvillassa ja viskoosissa [8]. Selluloosananofibrillien raaka-aineena toimii puu ja sellumassat, sekä muut yksivuotiset kasvit ja niiden jalostuksen sivutuotteet. Selluloosa on edullista ja sen saatavuus on hyvä, mutta nanoselluloosan valmistus on monimutkaista ja saatavuus vielä alhaista. Tämä tietysti vaikuttaa nanoselluloosan hintaan nostavasti. Nanoselluloosa on hydrofiilinen, kemiallisesti helposti muokattava ja se muodostaa monipuolisia kuiturakenteita. Sen nanokuiturakenne tuottaa hyvin lujan materiaali, jolla on suuri aktiivinen partikkelipinta ja verkonmuodostuskyky.
Nanoselluloosan hydrofiilisyys on ongelma sitä käytettäessä kasvomaskien suodatinmateriaalina. Siksi se tarvitseekin muita luonnonkuituja tai täyteaineita hydrofobisen huokoisen rakenteen muodostamiseen. [33]
Balgis et al. tutkimuksessa [37] tutkittiin selluloosa ja polyvinyylipyrridoli (PVP) komposiitin nanosuodatusominaisuuksia. Komposiittiin saadaan satunnainen sekoitus nano- ja mikrometrin kokoisia nanokuituja, jotka lisäävät kuitujen reagoivaa pinta-alaa ja mahdollistaa alhaisemman paineenmuutoksen. Kuitujen valmistusmenetelmänä toimi electrospinning. Tutkimuksessa muodostetut nanokuidut olivat halkaisijoiltaan maksimissaan 250 nm. Suodattiminen tehokkuudeksi saatiin 86.4 % partikkkelikoon ollessa 0.3–0.5 µm ja paineenmuutokseksi 17 Pa. Ma et al. tutkimukseen [36] viitaten kuitujen halkaisijakoon perusteella laskettu huokoskoko membraanille on alle 750 nm.
Tutkimuksessa saatu suodatustehokkuus on liian pieni standardin EN-14683:2019 [4]
vaatimuksille. Positiivista tuloksissa kuitenkin oli suodattimen erittäin alhainen paineen muutos 17 Pa. Tämän perusteella voitaisiin olettaa, että suodatinkerrosta voitaisiin paksuntaa paremman suodatusominaisuuksien saamiseksi, sekä silti pysyä tavoitteellisissa paineenmuutos arvoissa.
3.4.4 Hybridijärjestelmät
Hybridikomposiitti nanokuitujen tutkimus ilmansuodattimiksi on lisääntynyt viime vuosina. Hybridikomposiitti on yhdistelmä kahta tai useampaa lujitekuitua upotettuna polymeeri matriisiin [38]. Useimmissa tutkimuksissa biopolymeeri sekoitetaan toiseen huokoiseen aineeseen suodatusominaisuuksien ja tarvittavan vahvuuden ja stabiilisuuden takaamiseksi.
Souzandeh et al. käsittelivät tekstissään yhtä tutkimusta [34], jossa gelatiininanokuituja yhdistettiin selluloosapohjaiseen huokoiseen alustaan. Gelatiinikuidut asetettiin molemmille puolille selluloosapohjaista alustaa. Tuloksena saatiin suodatin, jonka suodatustehokkuus oli n. 99.30% 0.3 µm partikkeleille. Tutkimuksessa käytetyn selluloosa-alustan huokoisuuskoko oli 52 µm ja nanogelatiinin 4 µm. Paineen muutos suodattimen läpi oli noin 190 Pa. Tutkimuksen hybridikomposiitti täyttää standardin EN- 14683 vaatimukset suodatustehokkuuden ja hengitettävyyden osalta ja voisi mahdollisesti tulevaisuudessa toimia kirurgisten kasvomaskien suodatinmateriaalina.
4. YHTEENVETO
Tässä työssä selvitettiin biopolymeerien sopivuutta kirurgisen kasvomaskin suodatinkerroksen materiaaliksi. Suodatinkerros on yksi osa kirurgisen kasvomaskin 3- kerrosrakennetta. Biopolymeerien käyttö suodatinmateriaalina on vielä tuore tutkimusala ja biopolymeeripohjaisten kasvomaskien kaupallistaminen vaatii vielä lisätutkimuksia.
Taulukossa 2 on esitetty työssä käsiteltyjen biopolymeerien ilmansuodatusominaisuuksia verrattuna tällä hetkellä yleisimmin kirurgisissa kasvomaskeissa käytössä olevaan polypropeeniin. Taulukon arvot on kerätty yksittäisistä tutkimuksista, jotka on esitelty työssä aiemmin. Biopolymeerien tutkimus suodattimina keskittyy nanotason ilmansuodattimien luomiseen ja bakteerien suodatustehokkuutta ei edellä mainituissa tutkimuksissa testattu. Työssä oletetaan, että testauksessa käytetty 0.3 µm partikkelit ovat kooltaan vertailtavissa bakteerien kokoluokkaan ja näin tulokset antavat myös tietoa bakteerien suodatuskyvystä.
Yhteenveto työssä esitetyistä materiaalivaihtoehdoista ja niiden ominaisuuksista (* Tutkimusmenetelmä ei ole suoraan vertailtavissa muihin) (x arvio huokoskoosta) Materiaali Kuitujen
halkaisija
Huokoskoko Suodatustehokkuus Paine-ero
Polypropeeni 2-7 µm [12] - >98% [4] <196 Pa [4]
PLA 274 nm [31] 3.27 µm [31] 99.997 %* [31] 165.3 Pa* [31]
Soijaproteiini/PVA 136 nm [34] 408 nm (x) 98.70 % [34] 205 Pa [34]
Gelatiini 70 nm [35] 210 nm (x) 99.3 % [35] 200 Pa [35]
Selluloosa/PVP 250 nm [37] 750 nm (x) 86.4 % [37] 17 Pa [37]
Gelatiini/Selluloosa
komposiitti - 52 µm,
4µm [34] 99.30 % [34] 190 Pa [34]
Kaikki työssä esitetyt materiaalit antavat positiivisia näyttöä niiden kyvystä toimia ilmansuodattimina. Pienemmät kuitujen halkaisijat lisäävät suodattimien tehokkuutta muodostaen pienempiä huokosia. Luonnonpolymeerien funktionaaliset ryhmät lisäävät kuitujen vuorovaikutuksia partikkeleiden kanssa nostaen materiaalin suodatustehokkuutta. Taulukon 2 perusteella parhaiten EN-14683:2019-standardin mukaisen suodatustehokkuuden ja hengitettävyyden täyttää Gelatiini/Selluloosa- hybridikomposiitti.
Tulevaisuudessa biopolymeerien avulla voidaan saada ekologisempia, tehokkaampia ja suodatusominaisuuksiltaan monipuolisempia suodattimia. Biopohjaisten polymeerien käyttö on mahdollista jo lähivuosina, jos biopohjaisten polymeerien tuotantoa saadaan
tehostettua. Vuonna 2018 biomuoveja valmistettiin noin miljoona tonnia, verrattuna öljypohjaisten muovien 350 miljoonaan tonniin [39]. Biopohjaisten polymeerien kohdalla haasteena on myös korkeampi hinta verrattaessa synteettisiin polymeereihin.
Luonnonpolymeerit tarvitsevat tulevaisuudessa laajaa tutkimusta ennen niiden kaupallistettua käyttöä kirurgisissa kasvomaskeissa. Niiden haasteena on erityisesti heikot mekaaniset ominaisuudet ja prosessoinnin vaikeus. Toisaalta niiden rakenteessa olevat funktionaaliset ryhmät tuovat paljon mahdollisuuksia suodatusominaisuuksien tehostamiselle.
Tässä työssä ei perehdytty laajasti siihen, kuinka ympäristöystävällistä loppujen lopuksi biopolymeerien käyttö maskeissa on. Kehitysvaiheessa olevan tuotteen elinkaariarviointia on vaikea suorittaa, eikä siihen olla vielä keskitytty tutkimuksissa.
Biopolymeerien elinkaariarvioinneista saadut tulokset eroavat toisistaan paljon, eikä voidakaan välttämättä sanoa, että biopolymeerit ovat absoluuttisesti parempia ympäristölle kaikissa sovelluskohteissa. Silti, kun tarkastellaan kirurgisten kasvomaskien ympäristöystävällisyyttä pelkästään materiaalien raaka-aineen kannalta, voidaan työhön perustuen todeta, että uusiutuvien, mahdollisesti jopa biohajoavien materiaalien käyttö kirurgisissa kasvomaskeissa tukisi kestävää tuotantoa paremmin kuin synteettiset vaihtoehdot.
LÄHTEET
[1] THL: Tarttuminen ja suojautuminen -koronavirus, Terveyden ja hyvinvoinnin laitos, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 17.12.2020):
https://thl.fi/fi/web/infektiotaudit-ja-rokotukset/ajankohtaista/ajankohtaista- koronaviruksesta-covid-19/tarttuminen-ja-suojautuminen-koronavirus [2] WHO: Coronavirus disease(COVID-19), World Health Organization,
verkkosivu. Saatavissa (viitattu 17.12.2020)
https://www.who.int/emergencies/diseases/novel-coronavirus-2019/question- and-answers-hub/q-a-detail/coronavirus-disease-covid-19
[3] Fimea: Terveydenhuollon kirurgisten suu-nenäsuojaimien, kirurgisten takkien ja tekstiilien sekä kertakäyttöisten käsineiden vaatimukset COVID-19 tilanteessa.
Lääkealan turvallisuus- ja kehittämiskeskus Fimea, verkkosivu. Saatavissa (viitattu 15.10.2020) https://www.fimea.fi/-/terveydenhuollon-suu-
nenasuojaimien-ja-kasineiden-vaatimukset-covid-19-tilanteessa.
[4] Medical Face Masks. Requirements and test methods, Suomen Standardisoimisliitto, EN 14683:2019+AC:2019, Helsinki, 2019, 23 s.
[5] Medical Surgical Face Mask, Kunxin Machinery Equipment co. Saatavissa (viitattu 16.01.2021) https://www.kmfacemask.com/en/product/medcial- surgical-disposable-face-mask.html.
[6] K.P. Chellamani, D. Veerasubramanian, R.S. Vignesh Balaji, Surgical Face Masks: Manufacturing Methods and Classification, Journal of Academia and Industrial Research, Vol. 2, Iss. 6, 2013, pp. 320-324.
[7] M. H. Chua, W. Cheng, S. S. Goh, J. Kong, B. Li, J. Lim, L. Mao, S. Wang, K.
Xue, L. Yang, E. Ye, K. Zhang, W. Cheong, B. H. Tan, Z. Li, B. H. Tan, & X. J.
Loh, Face Masks in the New COVID-19 Normal: Materials, Testing, and Perspectives, Research, Vol. 2020, 2020.
[8] R. Räisänen, M. Rissanen, E. Parviainen, H. Suonsilta. Tekstiilien Materiaalit, Finn Lectura, Helsinki, Suomi, 2017.
[9] R. Nayak, Polypropylene Nanofibers, Springer International Publishing, 2017.
[10] H. H. Epps, K. K. Leonas, Pore Size and Air permeability of Four Nonwoven Fabrics, International Nonwovens Journal, Vol. 9 Iss. 2, 2000.
[11] I. M. Hutten, Chapter 5: Processes for Nonwoven Filter Media, Handbook of Nonwoven Filter Media, Butterworth-Heinemann, 2007, pp. 195-244.
[12] I. M. Hutten, Chapter 3: Propertiess of Nonwoven Filter Media, Handbook of Nonwoven Filter Media, Butterworth-Heinemann, 2007, pp. 71-102.
[13] The Best Material for Protective Medical Face Masks, Flexible Packaging, Vol.
23, 2020, pp. 32-35.
[14] Muovitieto, Muoviteollisuus ry. Saatavissa (viitattu 13.12.2020) https://www.plastics.fi/fin/muovitieto/muovit/komposiitit/
[15] K. K. Leonas, C. R. Jones, The Relationship of Fabric Properties and Bacterial Filtration Efficiency for Selected Surgical Face Masks, Journal of Textile and Apparel, Technology and Management, Volume 3, 2003.
[16] I. M. Hutten, Chapter 4 - Raw Materials for Nonwoven Filter Media, Handbook of Nonwoven Filter Media, Butterworth-Heinemann, 2007, pp. 103-194.
[17] Lumio, Jukka, Duodecim Terveyskirjasto, verkkosivu. Saatavilla (viitattu 17.12.2020)
https://www.terveyskirjasto.fi/terveyskirjasto/tk.koti?p_artikkeli=dlk00569
[18] J. Hu, B. Kumar, J. Lu, Handbook of Fibrous Materials, Volume 2 - Applications in Energy, Environmental Science and Healtcare, John Wiley & Sons, 2020.
[19] A.M. Smith, S. Moxon, G.A. Morris, Chapter 13 - Biopolymers as wound heal- ing materials, Volume 2: Functional Biomaterials, Woodhead Publishing, 2016, pp. 261-287.
[20] Muovitieto-sanasto, Muoviteollisuus ry, saatavissa (viitattu 9.11.2020) https://www.plastics.fi/fin/muovitieto/sanasto/?ltr=2&tag=112
[21] M. Teinilä, Biopohjaisten muovien prosessointi ja käyttö erotusväliaineina, Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT, 2020.
[22] Research, QY, Worldwide Face Mask Industry Revenue is Expected to Grow US$ 7.24 Billion in 2020 from US$ 2.86 Billion In 2019, saatavissa (viitattu 9.11.2020) https://www.medgadget.com/2020/04/worldwide-face-mask- industry-revenue-is-expected-to-grow-us-7-24-billion-in-2020-from-us-2-86- billion-in-2019.html
[23] E. Schumaker, The Psycology Behind Why People Don't Recycle, Huffpost, saatavissa (viitattu 16.1.2021) https://www.huffpost.com/entry/psychology-of- why-people-dont-
recycle_n_57697a7be4b087b70be605b3?guccounter=1&guce_referrer=aHR0c HM6Ly93d3cuZ29vZ2xlLmNvbS8&guce_referrer_sig=AQAAAAzN9TelDFhJR1 8ABKUBmFk_TowWTthIPmCKuPjbfT5WBS5FqQKChhp5vdMTrowbiF2XVdJm 7e9Fnv
[24] P. Morganti, V. E. Yudin, G. Morganti, M-B. Coltelli, Trends in Surgical and Beauty Masks for a Cleaner Environment, Cosmetics, Vol. 7, 2020.
[25] N. M. Sunar, E.I. Stentiford, D.I. Stewart, L.A. Fletcher, The Process and Pathogen Behaviour in Composting: A Rewiev, 2009
[26] J. Syvänne, Mikä ihmeen biohajova, kompostoituva ja biopohjainen muovi, saatavissa (viitattu 27.1.2021) https://www.muovipoli.fi/new-plastics-center- npc/biomateriaalitietoa/mika-ihmeen-biohajoava-kompostoituva-ja-
biopohjainen-muovi/
[27] A. Nissinen, Elinkaariarviointi, jalanjäljet ja panos-tuotosmalli, Ympäristökeskus SYKE, saatavissa (viitattu 27.1.2021) https://www.ymparisto.fi/fi-
fi/kulutus_ja_tuotanto/tuotesuunnittelu_ja_tuotteet/elinkaariarviointi_jalanjaljet_j a_panostuotosmalli#Elinkaariarviointi%20(LCA)
[28] M. R. Yates, C. Y. Barlow, Life cycle assesment of biodegradable commercial polymers-a critical review, Resources, Conservation and Recycling, volume 78, pp. 54-66, 2013.
[29] V. Siracusa, I. Blanco, Bio-Polyethylene(Bio-PE), Bio-Polypropylene(Bio-PP) and Bio-Poly(ethylene terephthalate)(Bio-PET): Recent Developments in Bio- Based Polymers Analogous to Petroleum-Derived Ones for Packaging and Engineering Applications, Polymers, Vol.12, 2020.
[30] S. Farah, D. G. Anderson, R. Langer, Physical and mechanical properties of PLA, and their functions in widespread applications-a comprehensive review, Advanced Drug Delivery Reviews, Vol. 107, 2016.
[31] Z. Wang, C. Zhao, Z. Pan, Porous bead-on-string poly(lactic acid) fibrous membranes for air filtration, Journal of Colloid and Interface Science, 2014 [32] L. Shen, J. Haufe, M. K. Patel, Product overview and market projection of
emerging bio-based plastics, Utrecht University, 2009.
[33] H. Kangas, Opas nanoselluloosamateriaaleihin, VTT, 2014.
[34] H. Souzandeh, Y. Wang, A. N. Netravali, W.H. Zhong, Towards Sustainable and Multifunctional Air-Filters: A Review on Biopolymer-Based Filtration Materials, Polymer Reviews, Vol. 59, 2019.
[35] H. Souzandeh, Y. Wang, W.H. Zhong, "Green" nano-filters: fine nanofibers of natural protein for high efficiency filtration of particulate pollutants and toxic gases, RSC advances, Iss. 107, 2016.
[36] H. Ma, C. Burger , B.S. Hsiao, B. Chu, Ultra-fine cellulose nanofibers: new nano-scale materials for water purification, Journal of Mateials Chemistry, Vol.21, 2011.
[37] R. Balgis, H. Murata, Y. Goi, T. Ogi, K. Okyama, L. Bao, Synthesis of Dual-Size Cellulose–Polyvinylpyrrolidone Nanofiber Composites via One-Step
Electrospinning Method for High-Performance Air Filter, Langmuir, 2017 [38] N. L. Feng, S. D. Mali, S. Irulappasamy, 4 - Bolted joint behavior of hybrid
composites, Failure Analysis in Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites, Woodhead Publishing, pp.79-95, 2019.
[39] T. Nymann, Pelastaako biomuovi maailman, Sitra, saatavissa (viitattu 16.12.2020) https://www.sitra.fi/blogit/pelastaako-biomuovi-maailman/
