Přírodovědecká fakulta MU proti COVID-19: výroba nanovlákenných filtrů do dobrovolnicky šitých roušek

21. 4. 2020 Petr Vašina, Jiří Sopoušek, Vojtěch Kundrát, David Pavliňák, Jakub Kelar, Zuzana Jayasundera

Nápad vyrábět nanovlákenné filtry pro roušky šité dobrovolníky v době koronavirové krize vzešel na Ústavu chemie (ÚCh). Původní myšlenka patří Mgr. Vojtěchovi Kundrátovi, doktorskému studentu materiálové chemie s bohatou dobrovolnickou zkušeností. K podpoře této aktivity se přidal prof. Jiří Sopoušek, akademický pracovník ÚCh s výzkumnou aktivitou v oblasti nanomateriálů. Oslovili kolegy z Ústavu fyzikální elektroniky (ÚFE) Mgr. Davida Pavliňáka, Mgr. Jakuba Kelara a ředitele ústavu, prof. Petra Vašinu. Oba ústavy se zapojily do materiálové podpory dobrovolnického hnutí snažícího se řešit aktuální nedostatek ochranných pomůcek v době koronavirové krize.

Příspěvek obou pracovišť přírodovědecké fakulty spočívá ve výrobě filtrů z nanovlákenného materiálu připraveného metodou elektrostatického zvlákňování (tzv. elektrospinningu). Tyto filtry lze vkládat do dobrovolnicky šitých roušek a podstatně zvýšit jejich účinnost.

Jak vlastně celá iniciativa začala? Vojtěch Kundrát z Ústavu chemie uvádí: „Během prvního týdne karantény bylo zřejmé, že nedostatek hygienického materiálu povede k závažnému průběhu epidemie na našem území. Proto byla založena v rámci mnoha kolektivů (včetně studentů z MU a Ústavu chemie PřF MU) iniciativa sijemerousky.cz. V rámci naší iniciativy jsme získali zdarma od firmy PFNonwovens Czech s.r.o. 21 návinů netkané textilie vhodné pro přípravu filtrů. Bylo zřejmé, že nedokážeme na narychlo předělaném stroji dostatečně efektivně zpracovat celý materiál, a tak jsme oslovili ÚFE,“ uzavírá Kundrát.

Není to příliš velké sousto pro akademická pracoviště? K tomu doplňuje prof. Jiří Sopoušek z Laboratoře syntézy nanočástic při ÚCh: „Ano je to náročný úkol. Pokud však nechybí nápad, nadšení a obětaví dobrovolníci, je třeba takovou obecně prospěšnou aktivitu podpořit a realizovat i ve ztížených podmínkách. Platí to zejména, pokud máte potřebné vybavení i znalosti, jak cíle dosáhnout. Dokázala to i řada dalších akademických pracovišť, které se u nás do boje proti novému typu koronaviru zapojily,“ říká Sopoušek.

Nanotechnologie pro produkci filtrů do šitých roušek

Shodou okolností se na přírodovědecké fakultě již před koronavirovou krizí nacházelo technologické zařízení Nanospider®.  Na Ústavu chemie PřF MU to bylo zařízení Nanospider (Obr. 1a) a na ÚFE shodné zařízení (Obr. 1b), které má však aditivní navíjení umožňující větší produkci.

Technologie elektrostatického zvlákňování je známá, může používat běžných vstupních látek jako jsou organické polymery, biopolymery či prekurzory keramiky nebo uhlíkových vláken. Technologických variant zvlákňování v silném elektrostatickém poli je dnes několik, ale především převažuje využívání stejnosměrného napětí pro zvláknění polymerních roztoků. Lze použít nabírání kapaliny zvlákňovaného materiálu pomocí zvlákňovacích jehel nebo z volné hladiny. Zvlákňování materiálu metodou z volné hladiny bylo vyvinuto na Technické univerzitě v Liberci a úspěšně komercializováno firmou Elmarco. Od tradičních systémů založených na elektrostatickém zvlákňování z jehly se tato metoda liší především vyšší produktivitou. Díky externímu převíječi zvlákňují na ÚFE až do šíře 50 cm podkladového materiálu v kontinuálním režimu. Podkladový materiál (jemná netkaná textilie) představuje nosič pro samotná nanovlákna a je součástí nanovlákenného filtru. Délka podkladové role je dána výrobcem a jde o 800 m.

Obr. 1a. Vlevo foto návinů 17 km podkladní netkané textilie získané darem od firmy PFNonwovens Czech s.r.o. Vpravo laboratorní zařízení na ÚCh s technologií zvlákňovacích jehel a navíjením (vlevo). Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.
Obr. 1b. Velkokapacitní zařízení na přípravu nanovláken technologií z volné hladiny na ÚFE PřF MU. Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.

Tradice výroby nanovláken na ÚFE PřF MU

Výrobou nanovláken a především jejich následnou úpravou se ÚFE aktivně zabývá již od roku 2013. Úzká spolupráce s firmou Elmarco vyústila v té době ve společný projekt, jehož součástí byla instalace technologie Nanospider (zařízení umožňující zvlákňování z volné hladiny) na ÚFE. Původní laboratorní koncept byl doplněn o externí převíječ a přestavěn na poloprovozní jednotku, která umožňuje simulovat výrobní proces nanovlákenného materiálu. Jednalo se především o ověření zapojení technologií využívající plazma generované při atmosférickém tlaku, kterým se ÚFE a především centrum CEPLANT zabývá již řadu let. Odborníci z CEPLANT se soustředili na zvyšování adheze nanovláken k substrátu, změnu velikosti pórů, chemickou a fyzikální funkcionalizaci materiálu a také náhradu laminačního kroku. Zaměřili se také na zvlákňování biomateriálů vhodných pro aplikace v regenerativní medicíně. V poslední době se také zabývají přípravou keramických nanovláken. Primárně se však ÚFE nesoustředí jenom na produkci samotných nanovláken, ale především na jejich modifikace a zvýšení užitných vlastností.

Laboratoř syntézy nanočástic Ústavu chemie PřF MU

Členové skupiny se zabývají teoretickým a experimentálním studiem nanočástic kovů a jejich slitin. V teoretické oblasti se zabývají predikcí fázových diagramů nanoslitin a zejména jejich ověřováním. V experimentální oblasti se zabývají syntézou a charakterizací nanočástic.

Ochrana duševního vlastnictví je v této oblasti je ukončena

ÚCh ve spolupráci se Státním ústavem jaderné chemické a biologické ochrany a firmou Elmarco s.r.o. otestoval nejvhodnější recepturu a tloušťku vrstvy nanovlákenné membrány (Obr. 2). Byl otestován i optimální tvar kapsy, do které se filtr vkládá. Zjištěné výsledky odborníci z ÚCh sdíleli s kolegy z ÚFE, kteří provedli recepturní změny adekvátní jejich přístrojovému vybavení: „Stejně tak jsme z Ústavu chemie dodali na ÚFE potřebný polymer na zvlákňování a již zmíněný podkladový materiál. V rámci dobrovolnické iniciativy sijemerousky.cz společně s ÚCh jsme oslovili průmyslového partnera dodávajícího laminační technologii (Obr. 3) a řezání a paralelně s výrobou roušek na ÚCh byla testována laminace, která je nutná pro fixaci nanovláken na podkladní netkanou textilii,“ uvádí za ÚCh Vojtěch Kundrát.

Obr. 2. Detail filtrační vrstvy z nanovláken (snímek z elektronového mikroskopu). Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.
Obr. 3. Laminovací stroj externího dodavatele pro vytvoření pevného spojení vrstvy z nanovláken s podkladní netkanou textilií. Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.
Obr. 4. Dobrovolníci v Divadle Husa na provázku (a další na fotografii nezachycení) šijí roušky. Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.

Na tvaru roušky a vložného filtru záleží

Samotný výrobek ovšem není použitelný, protože se jedná o vložný filtr (Obr. 6) nejlépe do bavlněných roušek typu, který nyní šije iniciativa sijemerousky.cz (Obr. 4 a 5).

Použitý tvar (Obr. 5) dosahuje s vloženým nanovlákenným filtrem (Obr. 6) filtrační účinnosti kolem 80 % až 90 % vztaženo na počet částic před a za rouškou. Nejedná se tedy jen o materiálovou vlastnost membrány ale především o těsnost řešení masky. Můžeme tedy mít materiál dosahující 100% účinnosti, ale maska, která nebude dostatečně těsnit, bude ve výsledku stejně účinná jako bavlněný kapesník. Při běžném použití se ukazuje, že nejrizikovějším místem je těsnost při nosníku masky. Vložený filtr je nejlépe jednorázový, přičemž jde ale namočit do 70% ethanolu vylepšeného 3% koncentrací peroxidu vodíku a po vysušení použít znovu.

Obr. 5. Jednoduchá kapsová rouška opatřená výstužným drátkem v oblasti dotýkající se nosu.Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.
Obr. 6. Vhodný tvar vložného filtru se zvýšenou účinností.Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.

Účinnost filtrů z nanovláken

A jak je to s účinností nanofiltrů? Tolik vzpomínaná účinnost filtrů z nanovláken je podle odborníků z ÚFE poměrně diskutabilní záležitost. Lze sice vyrobit filtr, který bude mít téměř 100% účinnost, otázkou je, jestli se pak bude dát přes něj dýchat. Účinnost filtrace, a s ní spojený stupeň ochrany, záleží na mnoha faktorech. Mezi ty můžeme zařadit samotnou konstrukci roušky a zejména její správné nasazení na obličeji. Jak uvádí Dr. Pavliňák „Naším předpokladem je výroba roušky, která by mohla být o něco účinnější, než jsou klasické komerční ústenky pro zdravotnictví. Bude tedy poskytovat dobrou ochranu v běžném prostředí, například při nákupech nebo během cestování v MHD. Pochopitelně se nedá srovnat s celoobličejovou variantou masky vybavenou profesionálním šroubovacím filtrem. Při pohybu ve vysoce infekčním prostředí bych ji doporučil jen jako poslední možnost,“ uzavírá Pavliňák.

Jaká je účinnost výrobků používajících jiné nanotechnologie? Na trhu si lze přece koupit i výrobky s nanočásticemi stříbra či akcelerovaného oxidu mědi. K tomu doplňuje prof. Sopoušek: „V oblasti použití nanočástic je třeba přistupovat s velkou opatrností. Uvědomme si, že nanočástice prostupují buněčnými membránami a vyvolávají nečekané reakce. Ty mohou být prospěšné například při likvidaci virů a bakterií, ale mohou i uškodit. Jsou proto velmi důležité testy zdravotní nezávadnosti takových výrobků. Cesta, po které jsme se vydali na našem pracovišti v této pandemické situaci, proto využívá jemné síto pevně zachycených nanovláken, která mechanicky oddělí nežádoucí částice. Na vývoj a použití filtračních vrstev dokonce se samočistícím efektem není nyní dostatek času, ale můžeme na nich pracovat po odeznění nouzového stavu, “ uzavírá prof. Sopoušek.

20 000 filtrů za týden

Na ÚFE a ÚCh probíhá samotná výroba nanovláken. Vzhledem k výrobnímu postupu a současné situaci okolo COVID-19 byla na obou pracovištích nastavena velmi přísná pracovní a hygienická pravidla možná až konspirativního charakteru. Čtyřčlenný tým (D. Pavliňák, O. Galmiz, J. Kelar, R. Přibyl) je schopen připravit víc jak 1,5 km nanovlákenného materiálu týdně. Tříčlenný tým na ÚCh (V. Kundrát, D. Bolzareva, A. Žagar) může připravovat množství o něco menší. Pak následují další výrobní kroky, tj. jejich laminace, nařezání na výslednou velikost a finální vložení do roušky. Pokud bychom spočítali týdenní produkci a toto číslo vydělili předpokládanou velikostí materiálu pro jednu roušku, můžeme přispět až 20 000 kusy filtrů do roušek za týden.

Obr. 7. Deset tisíc vložných filtrů balených po deseti připravených k distribuci. Foto: Archív Ústavu chemie a Ústavu fyzikální elektroniky PřF MU.

Spolupráce PřF MU s jinými institucemi v boji proti COVID-19

ÚFE je partnerem v uskupení Národního centra kompetence MATCA, jehož konsorcium tvoří 16 pracovišť z akademické a průmyslové sféry. V rámci MATCA se intenzivně hledají možnosti spolupráce v oblasti boje proti COVID-19 (např. výroba respirátorů nebo generátorů ozonu pro dezinfekci). Jak uvádí ředitel ÚFE, Petr Vašina: „Náš ústav v rámci těchto aktivit zastřešuje výzkum a vývoj v oblasti využití plazmových technologií k dosažení výsledného produktu s co nejlepšími užitnými vlastnostmi. Také jsme začali spolupracovat s Vysokým učením technickým v Brně (doc. Jan Podroužek, Fakulta stavební a Ing. David Škaroupka, Ph.D., Fakulta strojního inženýrství) a průmyslovým partnerem (Čegan, s.r.o.) v oblasti vývoje a přípravy antimikrobiálních povlaků metodou magnetronového naprašování. Takové povlaky by mohly tvořit ochrannou vrstvu na předmětech, které jsou vystaveny přímému, třeba i náhodnému, dotyku lidské ruky. Nanesením tenké ochranné vrstvy by se snížilo riziko kontaminace a následného šíření COVID-19. V současné době testujeme nanášení antimikrobiálních povlaků na ochranné pomůcky pro lékaře a exponované povrchy ve zdravotnictví. Jedná se např. o vnější stranu adaptéru obličejové masky vyrobené metodou 3D tisku nebo madla dveří a kryty vypínačů vyrobené konvenčním způsobem. Cílem tohoto projektu je vyvinout povrchovou ochranu pro na první pohled běžné výrobky, která přinese přidanou hodnotu pro jejich aplikace v extrémně exponovaných prostorách, jako jsou infekční oddělení nemocnic, veřejné prostory apod.,“ uzavírá Vašina.    

Obr. 8a,b. Antimikrobiální úprava povrchu připravená magnetronovým naprašováním na ÚFE PřF. Foto: J. Podroužek, Vysoké učení technické v Brně.

Přidejte se na sijemerousky.cz!

Pokud šijete roušky, patří vám díky, obzvláště pokud jste tak činili od začátku koronavirové krize. Zkuste je nyní šít s kapsou a přihlaste se na www.sijemerousky.cz. Šijeme v dílnách na ulici Hilleho 5 a v galerii Industra. „Potřebujeme stále dobrovolníky, prosím hlaste se. Sice se zdá, že situace je klidnější, ale právě sociální sektor je nedostatečně zásoben, ozývají se i menší města a regionální nemocnice mimo Brno, které taktéž trpí akutním nedostatkem ochranných prostředků. Společně s týmem dobrovolníků (především manželé Nohavicovi) s rozsáhlými kontakty jsme zásobili 18 domovů pro seniory v Jihomoravském kraji a centrum pro lidi bez domova na ulici Vlhká v Brně,“ uzavírá Vojtěch Kundrát z Ústavu chemie PřF MU.

Více článků

Přehled všech článků