Study shows cloth face coverings help protect both wearers and those nearby

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研究デザインは、実験室での試験をコントロールすることで、より現実世界に近い状態を現している。

2020年11月23日

バージニア工科大学のチャールズ・P・ルンスフォード土木・環境工学教授であり、空気感染症の専門家であるリンジー・マー氏は、博士課程の学生であるシャルベル・ハーブ氏（左）とジン・パン氏（右）と一緒に立っている。写真提供：Alex Crookshanks｜バージニア工科大学

 

新たに発表されたバージニア工科大学の研究は、一般的な顔のカバーリングの有効性を検証し、心配している一般の人々が安堵のため息をつくのに役立つかもしれない。

空気感染症の専門家であるリンジー・マー氏が主導したこの研究では、さまざまな素材をテストした結果、柔軟性のあるしっかりと織られた布地の外層と、小さな粒子をろ過するように設計されたいくつかの素材のうちの1つで作られた内層からなる3層構造のマスクは、最も浸透する粒子径に対して少なくとも74パーセントの素材ろ過効率を提供することがわかった。

マー氏と彼女の研究チームは、呼吸や会話の際に発生する呼吸器の飛沫の平均サイズである1ミクロンの粒子径では、一般的な布地では約40パーセントであるのに対し、フィルター素材は簡単に75パーセントの濾過効率を持つことができることを発見した。研究グループは、フェイスカバーに組み合わせた場合、素材の総合的な効率は場合によっては90%以上になると計算している。

バージニア工科大学工学部のチャールズ・P・ルンスフォード土木・環境工学教授であるマー氏は、「『N95の人工呼吸器は、最も浸透性の高い粒子径の95%をブロックでき、他のものは価値がない』と言う人もいる」と述べている。と、バージニア工科大学工学部のチャールズ・P・ルンスフォード土木・環境工学教授のマー氏は言う。しかし、1～2ミクロン、5ミクロンなど、感染に重要なサイズになると、それらの布マスクは半分以上をブロックすることができる。

SARS-CoV-2 ウイルス自体の大きさは約 0.1 ミクロンであるが、「そのままの状態では出てこない」とマー氏は述べ、COVID-19 として知られている病気の原因となるウイルスについて語った。COVID-19は、塩類、タンパク質、有機化合物を含むエアロゾルとしても知られているより大きな呼吸器の飛沫で運ばれ、ウイルス自体は10万倍の質量を持つエアロゾルにつながる。

マー氏によると、これまでの研究では、そのようなエアロゾルのほとんどは半ミクロンよりも大きいことが示されており、研究チームは、自家製や市販のフェイスカバーをテストするための最も適切なサイズとして、1～2ミクロンの範囲に焦点を当てた。

「これは、リスクの高い状況で医療従事者に着用を求めるものではない。」

「彼らは私たちが得ることができる最高の保護を必要としている。しかし、一般市民の誰もがN95を身に着けて歩いているのは非現実的であることを考えると、自家製マスクは間違いなく役に立つと思う 」と彼女は言った。

 

グループの実験設定は、実験室での研究のような管理された環境ではあるが、マスク着用者の実世界での経験に近い状態を表現するように設計されている。この種の典型的な試験は、国立労働安全衛生研究所によって開発されたN95呼吸器の基準に基づいているが、パンデミックに対応して一般の人々が一般的なマスクを着用し、使用している状況とは一致していない。

マー氏は、空気中の病原体が空気中でどのように相互作用し、移動するかについてのユニークな専門知識を持つ世界でも一握りの研究者の一人である。今年になって突如として非常に重要になった経験の分野と、複雑な科学を一般の人々に伝えることに並々ならぬ強みを持つマーは、公衆衛生機関、ジャーナリスト、そしてツイッターで彼女の更新をフォローしている29,000人の人々のための情報源として浮上している。

彼女のチームの研究は、11月20日にプレプリントサーバーmedRxiv上で公開された、まだ査読されていない。マー氏と彼女のチームは学術誌への掲載を待っている。

しかし、マー氏のアプローチは「網羅的だった」と、カリフォルニア大学デービス校で空気感染症の研究をしており、この研究には関与していないWilliam Ristenpart氏は述べている。Ristenpart氏は自身のマスクの有効性に関する研究を行ってきたが、バージニア工科大学のチームの研究デザイン、方法、技術は調査結果を向上させるのに役立つと述べた。

科学者や医療機関によって、SARS-CoV-2 ウイルスからの保護のためのゴールドスタンダードと考えられている N95 マスクの名前は、合格しなければならないテストに由来している： それはサイズ 0.3 ミクロンの粒子の 95 % をトラップする必要がある。

この0.3ミクロンのマークは、「最も透過性の高い粒子」、つまり最もろ過しにくい粒子を意味する。これまでのマスクの有効性の研究では、医療用マスクや、より小さくて厄介なサブミクロンのサイズの範囲に焦点を当てていた。布製のフェイスカバーは、現在、多くの企業からますます入手可能になってきている – 疾病対策予防センターによって発表されたデザインに基づいたものと同様に、自宅で作ることができる – と、それらが呼吸、会話、または咳をしている間に人間が放出するサイズに近い粒子をトラップする方法についてはあまり知られていない。

この研究では、土木・環境工学の研究者であるマー氏と彼女のチームは、分析したマスクと粒子径に焦点を移し、人々がフェイスカバーを着用して典型的な一日をどのように過ごすかという文脈で調査することが最も重要であることを発見した。研究者らは、9種類の自家製マスクとその構成材料、サージカルマスクとフェイスシールドについて,0.04ミクロンから100ミクロン以上の粒子を捕捉する能力を評価した。

テストされた材料の走査型電子顕微鏡画像

 

各マスクは、マスク着用者が吐き出す粒子を捕捉する能力である外側への効率と、マスク着用者が吸い込む際の内側への効率についてのテストを受けた。研究者たちは、一重および二重のバンダナ、薄い綿、薄いアクリル、マイクロファイバー、真空バッグ、コーヒーフィルター、MERV 12フィルター、CDCの説明書を使用して縫製されたマスクを再現するための枕カバーの綿の二層、およびCDCのウェブサイトで提供されている縫製されていないデザインを再現するためのTシャツの綿で作られたマスクとろ過材をテストした。

0.1～0.3ミクロンの低粒子径では、自家製マスクの性能は低かった。しかし、マスクは1と2ミクロンの粒子またはそれ以上の大きさで試験したときに、その有効性は急上昇した。いくつかのマスクは、内側へと外側への両方の効率のテストで粒子の50〜80パーセントをトラップすることができた。

マー氏は、SARS-CoV-2ウイルスがどのようにして空気中に排出され、空中に運ばれるのか、また、そのような飛沫の平均サイズについて、科学者たちが過去12ヶ月間に学んだことを考えると、これは重要なことだと述べた。

研究チームは、研究室で自家製マスクの効果をテストするために3つの指標を使用した：材料のろ過効率、内側への保護効率、外側への保護効率。最初に材料のろ過効率をテストしたのは、マスクにする前に、さまざまな布やフィルターの材料がどのように機能するかを確認するためであった。実験では、食塩水溶液の塩化ナトリウム粒子を大きな袋に噴霧し、袋の中の粒子の数と大きさを測定した。研究者らは、真空ポンプを使って粒子を含む空気を材料の中に引き込み、反対側に通過した粒子の数と大きさを測定した。

内側へと外側への保護効率をテストするために、マー氏のチームは570リットルのチャンバーの反対側に2つのマネキンを取り付け、吸っている人と吐いている人のペアが密接に話しているのを模倣した。研究者は、マニキンの口から液滴を生成する医療用ネブライザーに吐くマニキンを接続した。反対側の端では、彼らは放出された粒子を含む空気を引き込むために吸い込むマネキンの口を介して真空ラインを供給した。吐く側のマニキンから放出された粒子、または吸い込む側のマニキンから吸い込まれた粒子のチャンバー内での測定を行った。

研究室のセットアップ

研究者は、3つの研究指標に基づいて、自家製マスクとろ過材をランク付けした。真空バッグが最も優れた性能を発揮し、制御された条件下での材料のろ過効率は少なくとも60%で、2ミクロンでは80%にまで上昇した。0.5ミクロン以上の粒子に対して、外側への保護効率は50%以上、内側への保護効率は75%以上であった。

中～高レベルの性能を持つのはMERV 12フィルター、サージカルマスク、CDC縫製マスクで、2ミクロンの粒子に対して50%以上の内側へと外側への効率を提供している。薄いアクリルは、3つの指標すべてについて、自家製マスクの中で最悪かそれに近いパフォーマンスを示した。

内側へと外側への保護効率を比較したところ、マスクは内側へよりも外側への保護源として優れた性能を発揮する傾向があったが、ほとんどの場合、その差は統計的に有意ではなかった。この2つの効率は、硬い素材のものと、バンダナのように緩く、または標準的な耳あてマスクに比べてきつく装着されているもので異なっていた。

マー氏と彼女のチームは、各指標の結果のいくつかが驚くべきものであることを発見した。2層バンダナとTシャツの綿で作られた非縫製CDCマスクは、1〜2ミクロンの粒子径でマー氏が予想したよりも優れたパフォーマンスを発揮した。薄手の綿-（ブラウスのような柔らかい、しっかりと織られた生地）も際立っており、これらの内側へと外側への保護効率は、ちょうど50パーセントであった。

研究者たちは、20ミクロン以上の最大粒子サイズの有効性をテストするために、修正液滴堆積分析を使用した。この方法は、外側へからの保護効率に採用された方法に似ているが、最大の粒子を放出するために医療用ネブライザーの代わりにエアブラシを使用した。ブラシには赤色の食用色素を含む塩水溶液を充填した。分析の結果、どのフェイスカバーでもスライドに汚れは見られず、すべてのフェイスカバーが20ミクロン以上の粒子を捕捉することができたことがわかった。

この研究で得られた知見と、マスクの重ね付けに関する既存の文献を組み合わせて、マーのチームは、特に効果的な自家製のフェイスカバーを作るための推奨事項を考え出した。フェイスカバーは、着用者の顔にぴったりとフィットし、性能に影響を与えるような隙間がないようにしなければならない。

 

この研究の共著者である土木環境工学の博士課程の学生であるJin Panは、パンデミックの間に役立つ知識を表面化させるために、また科学者としての好奇心から実験を行う気になったと語った。

「パンデミックでは、患者や医療従事者など、多くの人が犠牲になっているのを目の当たりにした。」「私は本当に何かをしたいと思った。これは自分にもできることだと感じた。私たちには機器があり、専門知識がある。どのような素材が最高の保護を提供できるのであろうか？」

同じく博士課程の学生であるCharbel Harbと、研究員のWeinan Lengもこの研究に貢献した。

マー氏によると、このチームの実験設定では、厳密に管理された条件でマスクをテストしているため、この研究には一定の限界があるという。被験者がいなければ、実験ではマスクの調整や、人間の吸気と呼気で発生する空気の流れの変動などの変数を考慮することができない。さらに、研究デザインで使用された気流は連続的な速度で粒子を生成し、一度に一方向に限定されていた。

しかし、マー氏は、実験室での研究は、観察疫学研究のような他の研究と一緒に協力して、感染を減らすためのマスクの有効性の全体像を与えることができると信じていると述べている。

「一つの研究だけでは、その全貌を語ることはできない」とマー氏は言う。

「マスク、社会的距離を置くこと、手洗い、室内換気などの介入だけでCOVID-19の感染拡大を食い止めることはできない。マスクは、私たちが一緒に組み合わせる必要がある多くの介入の一つである。」