3D-печать защитной маски: пошаговое руководство

В текущей ситуации глобальной пандемии из-за коронавируса COVID-19 считаем, что любой вклад и помощь из любой сферы может быть крайне важны, и из сектора 3D-печати возникают очень интересные инициативы, которые считаем релевантным распространить.

Последние дни часты новости о дефиците масок — базового СИЗ, особенно для медперсонала, но и для других людей, более подверженных вирусу по работе или обстоятельствам.

Поэтому команда Copper3D, производителя антибактериальной нити PLActive, поделилась дизайном маски, подходящей для печати практически на любом FDM-принтере, STL-файл доступен бесплатно:

СКАЧАТЬ STL

Изображение 1: Дизайн маски NanoHack. Источник: 3D Copper.

У этой маски следующие характеристики:

• Антимикробная и антивирусная, печатается из PLActive — инновационного нанокомпозита на базе качественного PLA с запатентованным, научно подтвержденным и высокоэффективным нано-медным добавлением.
• Перерабатываемая: массовое использование одноразовых хирургических масок и респираторов негативно сказывается на экологии. Использование PLActive — потребление перерабатываемого материала.
• Плоский раскрой, для массового производства на практически любом FDM-принтере.
• Модульная фильтрующая система: маска включает новую модульную систему фильтрации мелких частиц из материала с доказанными медными нанокомпозитами для деактивации вирусов. Система включает несколько слоев с разной геометрией для эффективной фильтрации. Может принимать сторонние фильтрующие материалы: непроволокчатый пропилен, губки, текстиль.
• Термоформование при 55–60 °C, позволяющее дать правильную форму анатомии любого лица простым феном или теплой водой.
• Контроль фильтрации и притока воздуха. Доказано, что длительное использование респираторов снижает легкую емкость. Одноразовые респираторы не позволяют регулировать приток воздуха или размер частиц. Эта маска включает модульный фильтрующий диск для эффективной регуляции притока и размера частиц. Систему можно настраивать комбинациями непроволокчатого пропилена, ткани, губок, разных текстилей для снижения уровня фильтрации.

3D-печать и сборка маски очень просты, но важно следовать инструкциям для безопасного использования:

1. Печатать детали с 20% заливкой, без поддержек и рафтов. На одну маску ~40 г нити, из катушки 750 г PLActive получается 17–18 масок.
2. Нагреть маску до 55–60 °C феном или горячей водой. Круговая часть должна остаться целой — она толще для предотвращения деформаций.
3. При размягчении сблизить крылья носа и регулировочные крылья на нижней челюсти.
4. Нагреть снова и приложить к лицу для полной адаптации к каждой физиономии.
5. Вставить один или два дополнительных фильтра. При использовании одного фильтра можно использовать круглый элемент (одинарный или двойной) из обычной непроволокчатой маски (А) или добавить ватный диск для снятия макияжа (В), плотно вставляя их в окно фильтрующей системы. Фильтрация и приток воздуха регулируются комбинациями этих элементов.
6. Нанести резинки для фиксации.

Изображение 2: Инструкции по сборке NanoHack. Источник: Copper 3D.

Другой вариант — гибкая антибактериальная нить MD¹ Flex от Copper3D, которая благодаря гибкости не требует нагрева для адаптации.

С другой стороны, нужно учитывать, что эти маски, хоть и эффективны, имеют ограничения: короткий цикл жизни (~8 часов). Респираторные вирусы, в частности SARS-CoV-2 (COVID-19), живут на поверхностях до 72 часов, поэтому к концу дня у нас высокая вирусная/бактериальная нагрузка в нескольких миллиметрах от носа и рта, еще больше подвергая нас опасности.

Наконец, благодарим проект NanoHack и его команду ученых и промышленных дизайнеров из США и Чили за предоставление описания и чертежей их патента.

ОБНОВЛЕНИЕ (20 марта): Copper3D опубликовала сообщение для разъяснения сертификаций и использования Nanohack. Смотреть публикацию

ОБНОВЛЕНИЕ (21 марта): Новое сообщение Copper3D: эффективность фильтрации Nanohack — 96,4% для микроорганизмов 1 микрон и 89,5% для 0,02 микрон. Также детализированы спецификации и конфигурации для правильной печати NanoHack на практически любом FDM-принтере. Смотреть публикацию

NanoHack 2.0

Недавно команда Copper3D поделилась новым дизайном маски: NanoHack 2.0.

В отличие от других концепций, NanoHack 2.0 состоит из прочной и герметичной моноблочной структуры, которую нужно печатать из PLActive для максимальной защиты от внешней среды. Для герметичности рама уплотняется 3D-напечатанным краем из MDFlex — антимикробного TPU.

СКАЧАТЬ STL

Изображение 3: Дизайн маски NanoHack 2.0. Источник: Copper 3D.

Технические соображения

Маска NanoHack — устройство для защиты от частиц в воздухе и предотвращения попадания загрязняющих аэрозолей в дыхательные пути.

Исследования эффективности самодельных масок показали, что фильтрующие материалы NanoHack (непроволокчатый полипропилен, тот же, что в хирургических масках) дают эффективность фильтрации 96,4% для микроорганизмов 1 микрон и 89,5% для 0,02 микрон.

По исследованию FDA США, дизайн обычных хирургических масок не дает полной защиты из-за слабого прилегания. Хирургические маски — одноразовые, их нужно утилизировать безопасно. Власти рекомендуют класть в пластиковый пакет и выбрасывать; мыть руки после контакта с использованной маской. Ранее опубликованные исследования указывали, что высокая вирусная нагрузка в масках и респираторах может быть источником вирусной передачи как для ношущего, так и для других. Это происходит, когда медперсонал касается маски и не моет руки или утилизирует без предосторожностей. Кроме того, патогены, проникающие сквозь хирургические респираторы у пациентов в операционной, повышают риск нозомиальных инфекций (инфекций, полученных в больнице). По всем этим причинам NanoHack использует перерабатываемый биосовместимый полимер с медным нанокомпозитом с антимикробными свойствами: PLActive.

Об антимикробной активности меди: она ингибирует репликацию и способность к распространению SARS-CoV, гриппа и других респираторных вирусов. Это из-за высокого антимикробного потенциала (антивирусного и антибактериального).

Изображение 4: Антивирусная активность меди. Источник: Copper 3D.

Так как медь инактивирует вирусы SARS-CoV, гриппа, H1N1 и устраняет опасные бактерии (Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Listeria и др.) после короткого контакта, нити PLActive и MDflex от Copper3D являются эффективной и дешевой дополнительной стратегией для снижения передачи инфекционных заболеваний, ограничения нозомиальной передачи. NanoHack зачат как антимикробная маска для FDM-печати из активных материалов. Для монтажа нужны активные непроволокчатые полипропиленовые фильтры (3 слоя) для дополнительной защиты от микроорганизмов.

По исследованию Borkow G. (Нейтрализация вирусов в суспензиях с медноксидными фильтрами. Антимикробные средства и химиотерапия), непроволокчатый тканевой фильтр, пропитанный оксидом меди, способен генерировать вирусные фильтры разных типов, включая респираторные вирусы.

Изображение 5: Дизайн фильтров NanoHack 2.0. Источник: Copper 3D.

Для оптимальной защиты от среды рекомендуется тройной непроволокчатый полипропиленовый фильтр с медными нанокомпозитами от The Copper Company.

Изображение 6: Таблица снижения вирусной нагрузки фильтрами с медными частицами. Источник: Copper 3D.

Изображение 7: Растровый электронный микроскоп: полипропиленовые волокна с оксидом меди. Источник: Copper 3D.

В случае отсутствия такого фильтра, исследование Anna Davies анализирует эффективность фильтров из разных материалов: пылесосные фильтры, волокна хлопка или шелка:

Изображение 8: Таблица эффективности разных материалов как фильтра. Источник: Copper 3D.

Рекомендации по использованию

Цель NanoMask 2.0 — защита населения от частиц в воздухе и предотвращение распространения жидких аэрозолей, загрязняющих дыхательные пути. Обратите внимание: это не маска N95. Это лицевая маска, не считается сертифицированным СИЗ.

В отношении медперсонала — устройство использовать как последний рубеж: не манипулировать при интубации, механической вентиляции, бронхоскопии или похожих процедурах.

Маска рассчитана на использование в общих пространствах, максимум 8 часов, с заменой непроволокчатого фильтра раз в день. После манипуляций с активным фильтром — мыть руки и следовать предосторожностям органов здравоохранения.

Советы по чистке NanoMask:

1. Промывка: Устройство мыть с мылом и водой.
2. Ополаскивание: После мытья хорошо ополоснуть чистой водой.
3. Дезинфекция: Оборудование дезинфицировать для инактивации остаточных патогенов. Химическая дезинфекция, не автоклав, так как PLActive не выдерживает 80 °C и выше. Наиболее доступные химические и гермицидные методы:
1. Метод 1: Спирт эффективен против гриппа. Этиловый спирт (70%) — мощный широкоспектральный гермицид, обычно считается превосходящим изопропиловый. Так как спирт легковоспламеняем, ограничить использование малыми поверхностями и хорошо проветриваемыми помещениями.
2. Метод 2: Большинство бытовых хлоросодержащих растворов содержат 5% гипохлорита натрия (50 000 ppm активного хлора). Рекомендуемая разбавка: 1:100 от 5% гипохлорита — обычная рекомендация. 1 часть хлорки на 99 частей холодной водопроводной воды (1:100) для дезинфекции поверхностей. Корректировать соотношение для достижения нужной концентрации. Например, для препаратов с 2,5% гипохлорита — в 2 раза больше хлорки (2 части на 98 воды).
4. Промывка: При химической дезинфекции ополоснуть стерильной или чистой водой (кипяченой 5 мин и остывшей). Стерильная вода предпочтительна для смывания остатков химикатов с респираторного устройства, так как водопроводная или дистиллированная могут содержать микроорганизмы, вызывающие пневмонию. Если стерильная вода недоступна — ополоснуть водопроводной или фильтрованной (через 0,2 мкм фильтр). Рекомендуется дезинфекция погружением с контактом 30 мин.
5. Сушка: После предыдущего шага — ополоснуть спиртом и сушить принудительным воздухом.
6. Хранение: Хранить сухое оборудование в закрытых упаковках.

NanoHack 2.2

Copper3D недавно выпустила обновление NanoHack 2.0 — NanoHack 2.2.

Как предшественник, NanoHack 2.2 имеет моноблочную структуру. В новой версии — 3 слоя постоянных стенок без углов для усиления структуры. Предлагаются две опции внутренней структуры фильтра: Voronoi или Gyroid.

Общее время печати NanoHack 2.2 — 4,5 часа.

СКАЧАТЬ STL

Изображение 9: Дизайн маски NanoHack 2.2. Источник: Copper 3D.

Маски NanoHack 2.0 и 2.2 рассчитаны на лицо высотой 12 см (от подбородка до плоскости глаз) и расстоянием между скуловыми костями (измеряется прямо на носу) тоже 12 см. Если лицо меньше или больше — рекомендуется масштабировать модель на 5% или 10% для идеальной посадки.