Plasma

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 EPI. Para reutilizar las mascarillas, se deben descontaminar eficazmente de posibles agentes infecciosos sin comprometer su capacidad de filtración durante la esterilización. En este estudio, utilizamos una descarga de barrera dieléctrica pulsada a presión atmosférica (DBD), 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 al menos una reducción de 2 log de MS2 y T4 en respiradores N95 tratados en un ciclo con peróxido de hidrógeno PAM al 7,8 % y al menos una reducción de 3 log tratados con peróxido de hidrógeno PAM 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 encontrado después de 20 ciclos. En términos de reutilización de las mascarillas 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 fue declarada pandemia por la Organización Mundial de la Salud en marzo de 20201. El virus que causa la enfermedad COVID-19 se llama 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 mascarillas (también conocidas como respiradores) en lugares públicos para limitar la propagación del COVID-193,4. La mascarilla 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 (EPP), como guantes, protectores faciales y batas, también tuvieron una gran demanda en muchas partes del mundo a medida que los casos de COVID-19 siguen aumentando6. Al principio de la pandemia, el suministro y la distribución de EPP no se mantuvieron a la altura de su alta demanda, lo que obligó a los trabajadores de la salud y al personal de primeros auxilios a reutilizar EPP, como respiradores quirúrgicos y N95.

Debido a la escasez de EPI, 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 EPI, incluido el uso de irradiación germicida ultravioleta (UVGI), peróxido de hidrógeno vaporizado (VHP), óxido de etileno (EtO), horno microondas, lejía, tratamiento térmico, etanol, peróxido de hidrógeno líquido, autoclave, alcohol isopropílico, productos para limpiar, agua del grifo, agua y jabón y olla arrocera eléctrica tradicional7. No es sencillo comparar la eficacia de los diferentes enfoques porque con cada método se probaron diferentes virus y bacterias, así como con diversos materiales de mascarillas. 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 un respirador N959. Sin embargo, algunos de los métodos, como UVGI, VHP, horno 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 mascarilla7.

Se ha demostrado que el plasma no térmico, incluida la exposición directa y la exposición remota, como método de baja temperatura para la esterilización de superficies y materiales, 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 directo no térmico puede inactivar el ARN del SARS-CoV-2 en bioaerosoles12. En otro estudio, pudieron demostrar el uso de descarga de barrera dieléctrica superficial (DBD) para inactivar un pseudovirus con la proteína S del SARS-CoV-2 en entornos de almacenamiento y transporte de cadena de frío13. Además de aplicar plasma directamente a los materiales para 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 se exponen gotas de agua nebulizadas u otras soluciones a una descarga de plasma. En lugar de sumergir 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 el PAM acumula altas concentraciones de peróxido de hidrógeno y adquiere un pH ácido, lo que crea condiciones adecuadas dentro del 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 de óxido nítrico, amoníaco y nitrógeno15. Se ha demostrado que estas ROS y RNS reaccionan con el ADN (doble y simple) y el ARN del virus18,19. Por ejemplo, un estudio previo demostró que la PAM que contiene ROS y RNS puede inactivar las 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 productos frescos21. Esta combinación también puede ser un método eficaz 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 la filtración mediante análisis del tamaño de partículas para ver si hay algún efecto negativo en el rendimiento del material de las mascarillas N95.

El prototipo se realizó 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: una gran área abierta de 53 L para el EPP, la cámara de plasma (n.º 1 a 6) y la cámara de calentamiento (n.º 7 a 9): 1. Ventilador que fuerza el aire hacia la cámara de plasma. 2. Salga de la cámara de plasma donde las gotas, mezcladas con especies reactivas de oxígeno y nitrógeno (RONS) generadas por plasma, se introducen en el área con el EPP. 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 densa niebla 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 RONS residual y humedad) se aspira de la cámara con el EPI. 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 EPI.

Se instaló en el sistema un programa preestablecido a través de Arduino. El programa se utilizó para controlar el tiempo de funcionamiento 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 minutos en total. La primera etapa se configuró como reactor DBD de 5 minutos, ventilador y nebulizador encendidos; la segunda etapa fue un reactor DBD de 5 minutos y un ventilador funcionando sin nebulizador; y solo se enciende el sistema de secado durante la tercera etapa durante 10 min. Durante el ciclo de secado, la temperatura a la salida de la zona de calentamiento se aumentó a 50 °C haciendo fluir aire usando un ventilador de computadora estándar a aproximadamente 30 CFM sobre un serpentín de calentamiento resistivo. El voltaje de la bobina fue monitoreado por un microcontrolador Arduino y aumentado o disminuido para mantener la temperatura de la cámara a los 50 °C preestablecidos.

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 de superposición en LB Agar22. Brevemente, se fabricaron 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 solución madre de MS2 o T4, 100 µl del huésped (Escherichia coli MG1655) y 5 ml de agar superior fundido se colocaron en placas sobre la parte superior del agar subyacente. Después de que el agar superior solidificó, 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 materiales diferentes. Los respiradores N95 se cortaron en cupones de 1 x 6 cm. Se inocularon puntualmente 100 µl de reserva de virus en cada cupón. Los cupones se dejaron en una cabina de seguridad de flujo laminar hasta que se secaran (aproximadamente 3 h) antes del tratamiento.

A continuación, nuestro sistema trató los cupones inoculados y los analizó para detectar 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 niebla. Se diluyeron diferentes concentraciones de peróxido de hidrógeno a partir de peróxido de hidrógeno al 35% (Arkema). También se realizó control negativo en cada experimento.

Después del tratamiento, se recuperó T4 o MS2 de los materiales de la mascarilla mediante agitación o agitación en vortex en 10 o 15 ml de solución salina tamponada con fosfato (PBS) estéril. 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 vórtex durante 1 min, por lo que se utilizó la 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 utilizó un ensayo de placa de superposición de agar doble para cuantificar los virus viables recuperados en términos de unidades formadoras de placa (UFP). Tampoco se realizaron controles de tratamiento para tener en cuenta cualquier pérdida de virus viables (PFU) no asociados con el tratamiento en nuestro sistema.

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

Las propiedades químicas del 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 50–1000 ppm) mediante 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, las tiras reactivas se leyeron comparando la tabla de colores proporcionada por los fabricantes. El agua condensada se recogió cubriendo la salida de la cámara de plasma con papel de aluminio para 1 ciclo de tratamiento (n.º 2 en la Fig. 1) y luego se midió el pH, NO3- y NO2- mediante tiras reactivas.

La temperatura y la humedad se midieron mediante un registrador de datos (Elitech GSP-6G). La sonda se mantuvo en el medio de la cámara mientras estaba en funcionamiento. El ozono se midió utilizando 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 el aire muestreado (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 desde la cámara y a 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 desionizada 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 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 compararlos 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 de P <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 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 de 0,5 a 0,7 log de MS2 y no más de 0,9 log de reducción de T4 (Fig. 2 y Tabla S1 de material complementario). Cuando se utilizó 7,8% y 10% de peróxido de hidrógeno 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, 7,8% y 10% de peróxido de hidrógeno (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 con 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 Alimentos y Medicamentos de EE. UU. (FDA). La FDA EUA solicitó la validación de la reducción de la carga biológica demostrando al menos 3 log de un desafío con virus sin envoltura23. El tratamiento de un ciclo en nuestro sistema con niebla 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 las mismas condiciones pero con plasma se puede lograr una reducción de 2,9 log. Esto significa que el plasma puede mejorar la capacidad de inactivación del peróxido de hidrógeno por sí solo. Además, no hubo diferencias significativas 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 niebla 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 peróxido total. Aunque los resultados no fueron cuantitativamente precisos, el uso de los viajes de prueba comerciales proporcionó cierta información sobre la química del PAM generado (Material complementario, Figura S3). Cuando se usó agua desionizada como fuente de PAM, las tiras de pH indicaron que el pH de PAM era alrededor de 1. Mientras que el pH era 0 cuando la fuente de PAM era peróxido de hidrógeno al 10%. Los NO3 − y NO2− medidos en agua desionizada 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 de las tiras de nitrito y nitrato parecía decolorado después de un ciclo de tratamiento. Además de colocar estas tiras indicadoras en el dispositivo de tratamiento, también se midieron el pH, NO3- y NO2- utilizando estas tiras en agua condensada recolectada de PAM generada por agua DI (material suplementario, 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 estábamos interesados en 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 minutos. Durante los siguientes 10 minutos, la concentración de ozono disminuyó porque se apagó el reactor de plasma DBD y se encendió la calefacción. 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 descendió a 0,03 ppm después de completar el ciclo.

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 midieron 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 a 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 minutos, la humedad disminuyó hasta el 33% al final del ciclo de tratamiento.

Temperatura y humedad del tratamiento de un ciclo 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 fue tratada durante 1 ciclo en nuestro sistema con agua desionizada como fuente de niebla, y la otra fue tratada durante 20 ciclos. Se probaron nuevamente sus eficiencias de filtración. No hubo cambios perceptibles en la eficiencia de eliminación de la mascarilla 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 correas 3 M 1860 incluso después de 20 ciclos de tratamiento con peróxido de hidrógeno al 10%. Curiosamente, según los detalles de su embalaje comercial, las correas del 3 M 1860 están hechas de poliisopreno trenzado mientras que las correas del 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 de los respiradores después de esterilizaciones repetidas.

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 el EPP en un entorno pandémico, que puede lograr una alta eficacia de descontaminación en un corto tiempo de tratamiento. El ciclo de tratamiento actual se fija en 10 min de PAM y 10 min de secado por calor. Tiene el potencial de alcanzar niveles de descontaminación más altos usando 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 mascarillas N95 después del tratamiento para garantizar que la eficiencia de filtración no se degrade. En el futuro también se debería 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 de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH) encontró que la irradiación germicida ultravioleta (UVGI) y el peróxido de hidrógeno vaporoso (VHP) eran más prometedores como métodos potenciales para descontaminar los respiradores N9524. En investigaciones anteriores se han probado UVGI con diferentes configuraciones tratando varios microorganismos en respiradores N95, como las esporas de Bacillus subtilis25, los virus de la influenza8, el SARS-CoV-1 y el SARS-CoV-226. La UVGI tiene una capacidad de inactivación sustancial, pero puede verse desalentada por el efecto de sombra producido por las múltiples capas de los respiradores N958. Mientras tanto, la UVGI puede tener un impacto considerable en la tensión de la correa y la resistencia de las capas de algunos modelos de mascarillas 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 por el cual el PAM inactiva los microorganismos no está claro, pero investigaciones anteriores han considerado que el 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 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 anteriores21,28. Una razón propuesta por la 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 peroxona29. Como se muestra en la Fig. 3, el sistema de plasma es capaz de producir cantidades significativas de ozono que pueden impulsar la siguiente reacción de peroxón:

Además del dispositivo utilizado en este estudio, existen otros dispositivos de desinfección basados en ozono y peróxido de hidrógeno que se ha demostrado que descontaminan 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 y ozono) y Clēan Flow Mini (UVC, peróxido de hidrógeno, híbrido de ozono)30. Estos dispositivos, excepto Clēan 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 un 59 % de peróxido de hidrógeno en su fase plasmática, tiene un fuerte efecto de inactivación (una reducción promedio de 5,6 log de MS2), también se ha demostrado que su uso puede disminuir la duración de la mascarilla. 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 dichas soluciones 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 filtrantes de dos tipos de respiradores N95. No se probaron otros materiales de los respiradores, como correas, grapas, pinzas nasales y espuma nasal. Mientras tanto, en el futuro deberían probarse otros EPI, como mascarillas quirúrgicas, batas de aislamiento, gafas y protectores faciales. Estos EPI están fabricados de diversos 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 suelen estar 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 deberían considerar sustitutos con una estructura más similar al SARS-CoV-2 o al propio SARS-CoV-2, 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 del PAM. Actualmente, debido a la complejidad de las reacciones interfaciales del plasma y del líquido y los pequeños tamaños de las gotas generadas, sólo 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. Es necesario 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 aún más 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 niebla de peróxido de hidrógeno. Puede lograr al menos una reducción de 2 log de MS2 y T4 (dos virus sin envoltura) en respiradores N95 tratados en un ciclo con peróxido de hidrógeno PAM al 7,8 % 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 desionizada, 7,8 % y 10 % de peróxido de hidrógeno 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 utilizan únicamente niebla de peróxido de hidrógeno, nuestros resultados indican que el plasma puede mejorar la eficacia de inactivación de la niebla 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.

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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: Descontaminación de plasma atmosférico adaptativo al frío de COVID-19".

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

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Alexander Fridman y Alexander Rabinovich

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Charles Bailey y Gregory Friedman

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JH escribió el texto del manuscrito principal 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 generales. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jinjie He.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Él, J., Waring, M., Fridman, A. et al. Niebla 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 de mayo de 2022

Aceptado: 03 de noviembre de 2022

Publicado: 19 de noviembre de 2022

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

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