Эффективность масок и защитных покрытий для лица в борьбе с выбросами аэрозольных частиц в результате экспираторной деятельности


Перевод научной статьи, написанной Sima Asadi, Christopher D. Cappa, Santiago Barreda, Anthony S. Wexler, Nicole M. Bouvier и William D. Ristenpart для научного жернала Springer Nature, выполненный специально для клиентов Argentera Medicals.

Предисловие

Пандемия COVID-19 вызвала всплеск спроса на защитные маски. Ввиду дефицита многие органы общественного здравоохранения рекомендовали самодельные маски в качестве приемлемой альтернативы медицинским маскам и респираторам N95. Хотя ношение маски предназначено отчасти для защиты окружающих от выдыхаемых носителями вирусосодержащих частиц, существует не так много исследований, изучающих данных аспект. 

Мы измерили выбросы аэрозольных частиц микронного размера здоровыми людьми, выполняющими различные экспираторные действия в момент ношения различных типов медицинских или самодельных масок. И медицинские маски, и невентилируемые респираторы KN95 даже без индивидуального подбора снижают скорость выброса частиц в среднем на 90% и 74% соответственно во время разговора и кашля по сравнению с аналогичными действиями, выполненными без масок, что подтверждает их эффективность в снижении выбросов вирусосодержащих частиц. Эти маски аналогичным образом снижали выброс частиц у испытуемого, который по неясным причинам выделял их при кашле на два порядка больше среднего значения.

При этом выделение неэкспираторных частиц микронного размера из рыхлых целлюлозных волокон в самодельных хлопчатобумажных масках затрудняло точное определение их эффективности в снижении эмиссии выдыхаемых частиц. Аудиоанализ речи и интенсивности кашля подтвердил, что люди в маске говорят громче, но не кашляют громче. Необходима дальнейшая работа для определения эффективности тканевых масок в блокировании выдыхаемых частиц во время речи и кашля различной интенсивности, а также для оценки того, могут ли загрязненные вирусом ткани образовывать аэрозольные фомиты. Уже полученные результаты подтверждают эффективность масок медицинского типа и подчеркивают важность регулярного очищения масок, изготовленных самостоятельно.

Об основах исследования

Передача инфекционных респираторных заболеваний воздушно-капельным путем включает выброс аэрозолей и капель, содержащих микроорганизмы, во время различных видов экспираторной деятельности (например, дыхания, разговора, кашля и чихания). Передача вирусов в испускаемых каплях и аэрозолях восприимчивым к ним людям может происходить через физический контакт после осаждения на поверхности, реаэрозолизацию после осаждения, прямое осаждение испускаемых капель на поверхности слизистой оболочки (например, рта или глаз) или прямое вдыхание аэрозолей, содержащих вирус (здесь и далее, источники - 1, 2). Остается неопределенность в отношении роли и пространственного масштаба различных способов передачи (через физический контакт, распыление капель или вдыхание аэрозоля) конкретных респираторных заболеваний, в том числе COVID-19 (3-7), в заданных условиях, но нет сомнений в том, что передача воздушным путем происходит посредством выдыхаемых аэрозолей или выброса капель. Вот почему в дополнение к тщательной гигиене рук было предложено ношение масок как средство смягчения передачи заболеваний, особенно в медицинских учреждениях (8-11). Многие исследования показали, что маски могут обеспечить значительную защиту носителя, однако для реализации этого преимущества важна правильная посадка маски на лице (12-15). А также маски могут снижать передачу инфекции от зараженных людей, обеспечивая защиту окружающих (7, 16, 17). Есть свидетельства того, что бессимптомные носители COVID-19 заражают других (18-20), что приводит к усилению требований к ношению масок широкой публикой, что не всегда обосновано (21-24), но должно помочь контролировать распространение болезней во время пандемий. Важно понимать эффективность различных защитных покрытий для лица в снижении выброса аэрозолей и капель при экспираторной деятельности.

Результаты эпидемиологических и клинических исследований, оценивающих эффективность масок в снижении передачи заболеваний, показывают, что ношение масок может дать некоторые преимущества (10, 11), особенно при раннем вмешательстве, но часто результаты не имеют статистической значимости (25–31). Лабораторные исследования предоставляют еще один способ оценить или сделать вывод об эффективности маски. Измерение эффективности фильтрации материала может дать начальное представление о потенциальной эффективности маски для предотвращения выброса вируса (15, 32–35), но не касается непосредственно характеристик маски при ношении. Ранние фотосвидетельства показывают, что маски могут ограничивать распространение частиц, вызываемых кашлем (36). Измерения с использованием имитации дыхания с помощью искусственной испытательной головки показали, что концентрация частиц от 0,02 мкм до 1 мкм уменьшается при их прохождении через маски разных типов (37). Используя моделирование дыхания, Грин с коллегами (38) обнаружили, что медицинские маски эффективно снижают передачу наружу эндоспор и вегетативных клеток, с на первый взгляд большим сокращением количества частиц размером > 0,7 мкм по сравнению с более мелкими. Используя добровольцев, Дэвис с коллегами (32) выяснили, что медицинские и самодельные хлопковые маски существенно снижают выбросы культивируемых микроорганизмов при кашле здоровых добровольцев, при этом такое же снижение наблюдается в диапазоне размеров частиц от 0,65 мкм до> 7 мкм. Милтон и другие (16) обнаружили, что медицинские маски существенно снижают количество вирусных копий в выдыхаемом «мелком» аэрозоле (≤ 5 мкм) и «крупных» каплях (> 5 мкм) от добровольцев, больных гриппом, с большим сокращением в крупнодисперсной фракции. Этот результат несколько отличается от совсем недавних исследований Лианга и коллег (13), которые показали статистически значимое снижение выделяемых копий гриппа в каплях, но не аэрозоле, у участников, носящих медицинские маски. Однако они обнаружили, что маски уменьшают выделение сезонного коронавируса при выдыхании как для крупных, так и для мелких частиц, хотя вирусная РНК наблюдалась менее чем в половине образцов даже без маски, что усложняет оценку.

Все вышеперечисленные исследования указывают на значительный потенциал масок в снижении передачи респираторных заболеваний. На сегодняшний день, однако, никто не исследовал эффективность масок при различных действиях на выдохе, а различным типам масок уделялось не так много внимания. Кроме того, до настоящего времени ни в одном исследовании не рассматривались сами маски как потенциальные источники аэрозольных частиц. Хорошо известно, что волокнистые целлюлозные материалы, такие как хлопок и бумага, могут выделять в воздух большие количества микронных частиц (т.е. пыли) (39–42). Традиционно эти частицы не считались потенциальной проблемой для респираторных вирусных заболеваний, таких как грипп или COVID-19, поскольку считалось, что эти заболевания передаются через частицы, выбрасываемые непосредственно из дыхательных путей инфицированных людей (43). Однако ранние работы 1940-х годов показали, что инфекционный вирус гриппа можно собрать из воздуха после энергичного встряхивания зараженного одеяла (44). Несмотря на это открытие, в течение следующих 70 лет мало внимания уделялось возможности передачи респираторного вируса через пыль из окружающей среды; одним исключением было исследование Харе и Марр, которые изучали теоретическую модель ресуспендирования загрязненной пыли с пола при ходьбе (45). Совсем недавно в ходе работы Асади и коллег с вирусом гриппа экспериментально установлено, что и «аэрозольные фомиты», образующиеся в виде аэрозоля с зараженных вирусом поверхностей, таких как мех животных или бумажные ткани, могут переносить вирус гриппа и инфицировать восприимчивых зверей (46). Это наблюдение повышает вероятность того, что маски или другие средства индивидуальной защиты (СИЗ), которые имеют более высокую вероятность заражения вирусом, могут служить источниками аэрозольных фомитов. Действительно, недавняя работа Лю и коллег продемонстрировала, что одни из самых высоких количеств передаваемых по воздуху SARS-CoV-2 (вируса, ответственного за COVID-19) произошли в больничных палатах, где медицинские работники снимали свои СИЗ, что свидетельствует о том, что вирус потенциально распылялся через зараженную вирусом одежду или СИЗ, или ресуспендировали из зараженной вирусом пыли на полу (47). Остается неизвестным, какую роль аэрозольные фомиты играют в передаче инфекционных респираторных заболеваний между людьми, и неясно, являются ли определенные типы масок одновременно эффективными в блокировании выброса респираторных частиц при минимальном выбросе неэкспираторных (целлюлозных) частиц.


В данной статье мы расскажем об экспериментах, оценивающих эффективность невентилируемых респираторов KN95, вентилируемых респираторов N95, медицинских и самодельных бумажных, а также тканевых масок в снижении скорости выброса аэрозольных частиц при дыхании, разговоре и кашле здоровыми людьми. Два основных вывода заключаются в том, что (а) медицинские маски, невентилируемые респираторы KN95 и, вероятно, вентилируемые респираторы N95 - существенно уменьшают количество испускаемых частиц, но (б) выбросы частиц от самодельных тканевых масок - вероятно, от фрагментов сброшенных волокон - могут значительно превышать выбросы при отсутствии маски, что затрудняет оценку их эффективности при блокировании выброса частиц на выдохе. Хотя здесь не проводились прямые измерения эмиссии вирусов или степени инфективности, результаты повышают вероятность того, что частицы волокон из загрязненных хлопковых масок могут служить источниками аэрозольных фомитов.

Методология

Люди. Мы набрали 10 добровольцев (6 мужчин и 4 женщины) в возрасте от 18 до 45 лет. Совет по институциональной проверке Калифорнийского университета в Дэвисе одобрил это исследование (IRB № 844,369–4), и все его этапы были выполнены в соответствии с соответствующими руководящими принципами и правилами Институционального наблюдательного совета. Письменное информированное согласие было получено от всех участников перед тестами, и всех участников попросили указать свой возраст, вес, рост, общее состояние здоровья и историю курения. В исследование были включены только участники, которые указали себя как здоровые некурящие.

Рисунок 1. (а) Схема экспериментальной установки, показывающая участника в маске перед воронкой, подключенной к APS. (б) Фотографии масок, использованных для экспериментов. (Surg.: медицинская маска; KN95: невентилируемый респиратор KN95; SL-P: бумажное полотенце однослойное; SL-T: однослойная маска из хлопковой футболки; DL-T: двухслойная маска из хлопковой футболки; N95: вентилируемый респиратор N95). Субъект дала свое письменное информированное согласие на публикацию изображений в (b). (c) Микрофонная запись участника (F3), кашляющего в воронку без маски. (d) Мгновенная скорость выброса всех обнаруженных частиц диаметром от 0,3 до 20 мкм.

Экспериментальное оборудование. В основном мы использовали то же, что и в предыдущей работе (48, 49). Если кратко, то это аэродинамический измеритель размера частиц (APS, TSI модель 3321), он был нужен для подсчета количества частиц с аэродинамическим диаметром от 0,3 до 20 мкм; эффективность подсчета APS падает ниже ~ 0,5 мкм, и, таким образом, частицы с размером от 0,3 до 0,5 мкм, вероятно, занижают истинное число. APS помещали внутрь ламинарного вытяжного шкафа с фильтром HEPA, который сводит к минимуму фоновую концентрацию частиц (рис. 1а). Участников исследования попросили сесть так, чтобы их рот находился перед воронкой, прикрепленной к входу APS через проводящую силиконовую трубку. Затем они выполнили различные действия по выдоху без маски или без одной из масок, показанных на рис. 1b и более подробно описанных ниже. Сразу же сбоку от воронки помещали микрофон для записи продолжительности и интенсивности разговора и кашля (рис. 1c). Участники располагались так, чтобы их рот находился примерно в 1 см от входа в воронку; упор для носа, использовавшийся в нашей предыдущей установке (48, 49), был удален, чтобы предотвратить дополнительное образование частиц из-за трения ткани маски о поверхность упора для носа. Воздух втягивался APS со скоростью 5 л/мин, при этом 1 л/мин (20%) фокусировалось в детектор для подсчета и определения кумулятивного количества частиц с интервалами в 1 секунду (рис. 1d). Обратите внимание, что воронка представляет собой полузамкнутую среду, и не все частицы были захвачены APS. Ношение масок может перенаправить часть выдыхаемого воздуха не прямо наружу, а например, через верхнюю или боковые стороны маски (50). Соответственно, говоря об измерении выброшенных частиц, мы имеем в виду лишь те, что были выброшены прямо сквозь маску. Следовательно, измерения, представленные здесь, не отражают абсолютное количество испускаемых частиц и пренебрегают частицами, которые вылетают за стороны масок, но позволяют относительное сравнение в рамках различных условий. Скорости выброса частиц, представленные здесь от APS, вероятно, меньше, чем общие скорости выброса частиц на выдохе, примерно на отношение объемного расхода выдыхаемого воздуха, попадающего в воронку, к частоте отбора проб APS.


Все эксперименты проводились при температуре окружающей среды от 22°C до 24°C. Относительная влажность составляла от 30% до 35% для большинства экспериментов. Второй этап тестирования, в ходе которого сравнивались очищенные и неочищенные самодельные маски, проводился при относительной влажности 53%. Учитывая задержку примерно в 3 секунды между входом в воронку и достижением детектора внутри APS, во всех этих условиях водные компоненты дыхательных капель микронного размера имели более чем достаточно времени (т.е. более ~ 100 мс) для полного испарения до их высушенного остатка (так называемых «капельных ядер» 51); см. рисунок S3 Асади и коллег (48) в качестве прямого экспериментального доказательства полного высыхания в этих условиях. Хотя для испарения крупных капель (> 20 мкм) может потребоваться более 1 секунды (52), подавляющее большинство представленных здесь частиц имеют размер менее 5 мкм и, таким образом, маловероятно, что они были выброшены с размерами более 20 мкм. Представленные здесь распределения по размерам основаны на диаметре, наблюдаемом на детекторе APS.

Экспираторная деятельность. Участников попросили выполнить четыре различных задания для каждого типа маски или респиратора:


а) Дыхание: легкий вдох через нос и выдох через рот в течение 2 мин в удобном для участника темпе. Скорость выброса частиц рассчитывалась как общее количество частиц, испускаемых за весь двухминутный период, деленное на две минуты для получения среднего количества частиц в секунду.

б) Разговор: чтение вслух «The Rainbow Passage» (из книги Фэрбенкса (53) и дополнительный текст S1), стандартного лингвистического текста длиной 330 слов с широким диапазоном фонем. Участники читают этот отрывок вслух со средней комфортной громкостью. Поскольку участники, естественно, читали с немного другой громкостью и темпом, запись с микрофона использовалась для расчета среднеквадратичной амплитуды (как меры громкости) и продолжительности вокализации (за исключением пауз между словами). Скорость испускания частиц рассчитывалась как общее количество частиц, испускаемых за все чтение (приблизительно от 100 до 150 секунд), деленное на совокупную продолжительность вокализации без пауз. Исключение пауз учитывает индивидуальные различия во времени, затрачиваемом на активную вокализацию во время разговора (примерно 82% ± 5%), таким образом, люди, которые просто делают более длительные паузы между словами, не характеризуются искусственно низкой скоростью излучения из-за вокализации .

в) Кашель: последовательный принудительный кашель в течение 30 секунд с комфортной для участника скоростью и интенсивностью. Как и в эксперименте с разговором, данные микрофона использовались для определения RMS-амплитуды каждого кашля, количества кашлей и совокупной продолжительности кашля (исключая паузы между кашлями). Скорость выброса частиц рассчитывали как общее количество частиц, испускаемых в течение 30 секунд измерения, деленное либо на количество кашлей (для получения частиц/кашля), либо на совокупную продолжительность кашля (для получения частиц/с).

г) Движение челюсти: движение челюсти, как при жевании резинки, не открывая рта, в течение 1 мин при дыхании носом, чтобы проверить, вызывает ли движение лица при отсутствии более сильного выдоха значительную эмиссию частиц. Технически это действие считается экспираторным, поскольку участник дышал носом, но основная цель заключалась в том, чтобы оценить, влияет ли движение лица на выброс частиц в значительной степени из-за легкого трения между кожей и лицевой маской, приводящего к повышенной эмиссии частиц, или из-за промежутков между маской и кожей, позволяющих выходить большему или меньшему количеству частиц. Скорость выброса частиц рассчитывалась как общее количество частиц, испускаемых за минутный период, деленное на 60 секунд для получения среднего количества частиц в секунду.

Типы масок. Участники завершили каждое из четырех испытаний без маски или без одной из 6 различных типов масок или респираторов:


(1) Медицинская маска (ValuMax 5130E-SB), обозначенная как «Surg.», протестирована 10 участниками.

(2) Невентилируемый респиратор KN95 (GB2626-2006, производитель Nine Five Protection Technology, Дунгуань, Китай), испытанный 10 участниками.

(3) Самодельная маска из однослойного бумажного полотенца (Kirkland, 2-слойный лист, 27,9 см × 17,7 см), обозначенная как «SL-P», и испытанная 10 участниками.

(4) Самодельная однослойная маска SL-T, сделанная из новой хлопковой футболки (мужская рубашка-поло Calvin Klein Men’s Liquid, 100% хлопок, товар № 1341469), протестирована 10 участниками.

(5) Самодельная двухслойная футболка-маска «DL-T», изготовленная из того же материала футболки, что и маска SL-T, и испытанная 10 участниками.

(6) вентилируемый респиратор N95 (NIOSH N95, Safety Plus, TC-84A-7448), испытанный двумя участниками; недостаток во время тестирования не позволил увеличить размер выборки. Основное различие между респираторами N95 и KN95 заключается в том, где именно он сертифицирован: США. (N95) или Китай (KN95).

Самодельные тканевые маски (SL-T и DL-T) были изготовлены в соответствии с инструкциями CDC «Сделай сам» для одно- и двухслойных масок из футболок (54). Маски из бумажных полотенец своими руками изготовлены по соответствующей инструкции (55). Фотографии всех типов масок представлены на рис. 1б.

Перед надеванием каждой из масок участникам были даны устные инструкции по их правильному надеванию. В случае медицинских масок и респираторов KN95 было дано указание зажать металлический стержень, чтобы маска прилегала к носу. Тестирование респираторов на соответствие требованиям стандарта OSHA (29 CFR Part 1910) (56) не проводилось с целью получения репрезентативных показателей выбросов частиц для нетренированных людей, не имеющих доступа к профессиональной помощи в надевании.

Очищение масок. Чтобы проверить, оказывает ли стирка самодельных тканевых масок какое-либо влияние на скорость выброса частиц, подгруппу из 4 участников попросили принести домой свою двухслойную маску-футболку, выстирать ее вручную водой с мылом, тщательно прополоскать и высушить на воздухе. После чего эти участники вернулись и повторили четыре действия с совершенно новой маской DL-T и вымытой маской DL-T для прямого сравнение выстиранной и нестиранной ткани.

Выброс частиц при трении руками. Помимо описанных выше экспериментов по измерению эмиссии частиц, связанных с различными тканями масок, мы также провели качественный тест на хрупкость масок, протерев каждую маску рукой перед APS, используя процедуру, аналогичную той, что выполнялась ранее с бумажными салфетками (см. рисунок 4 от Асади и коллег (46)). В частности, маска сворачивалась между большим и указательным пальцами, после чего материал терся сам об себя. Образец каждого типа маски натирался вручную одним и тем же человеком в течение 10 секунд перед APS с применением равных усилий при каждом трении. Тест повторялся 3 раза для каждого типа маски. Скорость выброса частиц рассчитывалась как общее количество выброшенных частиц, деленное на продолжительность трения (10 с). Обратите внимание, что эта процедура не исключает возможного отделения частиц от кожи экспериментатора (57); наблюдаемые скорости выброса частиц для различных материалов масок, следовательно, представляют только качественные показатели относительной хрупкости.


Статистический анализ. Прямоугольные диаграммы показывают медианное значение (красная линия), межквартильный размах (синее поле) и диапазон (черные усы). Программам Stata/IC 15 использовалась при выполнении теста Шапиро-Уилка на нормальность для уровней эмиссии частиц во время каждого вида деятельности. После логарифмического преобразования данных была проведена линейная регрессия со смешанными эффектами для учета корреляций на уровне человека. Учитывая, что у нас был только один первичный случайный эффект (вариативность от человека к человеку), все дисперсии были установлены равными с нулевыми ковариациями. Выполнялись апостериорные попарные сравнения с поправкой на множественные сравнения с использованием метода Шеффе. Группы Шеффа обозначены зелеными буквами под каждой прямоугольной диаграммой; группы без общей буквы считаются значимо разными (p <0,05).

Результаты

Скорость выброса частиц для четырех видов выдоха показана на рис. 2. Если сначала сосредоточиться на дыхании без масок (рис. 2а), средняя скорость выброса частиц составляла 0,31 частиц/с (наибольшее значение в 0,57 частиц/с показал участник М6, а наименьшее участник F3 - 0,05 частиц/с). И средняя частота, и индивидуальная изменчивость в целом согласуются с предыдущими исследованиями (48,51). Ношение медицинской маски или респиратора KN95 значительно уменьшило количество частиц, выделяемых за секунду дыхания. Средняя скорость выброса для этих масок составляла 0,06 и 0,07 частиц/с соответственно, что примерно в шесть раз меньше, чем при отсутствии маски. Ношение самодельной маски из однослойного бумажного полотенца (SL-P) привело к аналогичному снижению скорости выброса наружу, хотя и не так статистически значимо, как результаты ношения любой медицинской маски.


Поразительно, но ношение нестиранной однослойной маски из футболки (U-SL-T) привело к значительному увеличению измеренных скоростей выброса частиц во время дыхании по сравнению с отсутствием маски, в среднем до 0,61 частиц/с. Скорости для некоторых участников (F1 и F4) превышали 1 частицу/с, что на 384% больше среднего значения без маски. Ношение маски из двухслойной хлопковой футболки (U-DL-T) не оказало статистически значимого влияния на скорость выброса частиц в сравнении со средним значением и диапазоном скоростей в отсутствии маски. 


Что касается речи (рис. 2b), общая наблюдаемая тенденция состоит в том, что вокализация при средней комфортной громкости голоса (рис. S1a и таблица S1) дает на порядок больше частиц, чем дыхание. Когда участники не носили маски и говорили, средняя скорость составляла 2,77 частиц/с (по сравнению с 0,31 во время дыхания). Общая тенденция влияния типа маски на эмиссию частиц качественно аналогична наблюдаемой для дыхания. Ношение медицинских масок и респираторов KN95 во время разговора значительно снизило выбросы наружу на порядок - до средней скорости 0,18 и 0,36 частиц/с соответственно. Аналогичным образом, ношение маски из бумажного полотенца снизило скорость излучения речевых частиц до 1,21 частиц/с, что ниже, чем без маски, но представляет собой менее выраженное снижение по сравнению с медицинскими масками и респираторами KN95. Самодельные же тканевые маски снова не дали никаких изменений или значительного увеличения скорости выброса частиц во время речи по сравнению с отсутствием маски. А ношение маски U-SL-T давало показател, которые на порядок превышали полученные без масок со средним значением 16,37 частиц/с. Ношение маски U-DL-T не имело значительного эффекта.


Третья экспираторная активность - кашель - снова показала качественно аналогичные тенденции в зависимости от типа маски (рис. 2c). Мы подчеркиваем, что участники кашляли с разной скоростью, и поэтому количество кашлей, общая продолжительность кашля и акустическая мощность варьировались между участниками (рисунок S1b, рисунок S2 и таблица S2). Тем не менее, мы наблюдаем, что кашель без маски производил в среднем 10,1 частиц/с, с большинством участников в диапазоне от 3 до 42 частиц/с. Для сравнения, учитывая частоту кашля 6 раз в минуту, среднее количество частиц, вылетающих из-за кашля в течение этой минуты, немного меньше, чем от дыхания, и на порядок меньше, чем от разговора в течение минуты (см. Рис. S3 для эквивалентное количество частиц при кашле). Аналогичные общие тенденции, касающиеся дыхания и речи, наблюдались при кашле во время ношении различных типов масок. Медицинская маска снизила среднюю скорость выброса частиц до 2,44 частиц/с (снижение на 75%), в то время как KN95 дала очевидное, но не статистически значимое снижение до 6,15 частиц/с (снижение на 39%). Маска SL-P не показала статистически значимой разницы по сравнению с опытом без маски. А самодельные маски U-SL-T и U-DL-T дали значительное увеличение выбросов частиц в секунду (или за одно покашливание) по сравнению с опытом без маски со средними скоростями выбросов 49,2 и 36,1 частиц/с соответственно. 


Примечательно, что один человек (M6) произвел при кашле на два порядка больше аэрозольных частиц, чем другие, при показателе 567 частиц в секунду без маски. Даже когда M6 носил медицинскую маску, он выбрасывал 19,5 частиц/с во время кашля, что значительно выше среднего значения без маски, но существенно ниже безмасочного показателя самого M6. Акустический анализ кашля, как с точки зрения среднеквадратичной амплитуды (Рисунок S1b), так и отфильтрованной плотности мощности, показывает, что кашель M6 не был особенно громче и энергичнее, чем у других (см. Рисунок S2 и Таблица S2). Неясно, что заставило испытуемого выделять при кашле в 100 раз больше аэрозольных частиц, чем в среднем. Возможно, кашель M6 зарождался в грудной клетке, в то время как у других - в горле. Примечательно, что этот человек произвел гораздо более близкое к среднему количество частиц во время разговора и дыхания. Кроме того, повышенный показатель выброса аэрозольных частиц во время кашля сохранялся для M6 независимо от типа маски.

Рисунок 2. Скорость выброса частиц, связанная с (а) дыханием, (б) разговором, (в) кашлем и (г) движением челюсти, когда участники не носили маски или когда они носили один из шести рассматриваемых типов масок (Surg: медицинская; KN95: невентилируемый респиратор KN95; SL-P: бумажное полотенце однослойное; U-SL-T: нестиранная однослойная маска из хлопковой футболки; U-DL-T: нестиранная двухслойная маска из хлопковой футболки; N95: вентилируемый респиратор N95). Группы Шеффе обозначены зелеными буквами; группы без общей буквы считаются значимо разными (p <0,05). Обратите внимание, что масштабы являются логарифмическими, а порядки величин различаются на каждом участке.


На рис. 2d показана скорость выброса частиц во время того, как участники двигали челюстью, как при жевании резинки с закрытым ртом, дыша носом. В целом, движение челюсти с дыханием через нос и без маски производило немного меньше частиц в секунду, чем при дыхательной активности (вдыхание через нос и выдыхание через рот), со средней скоростью 0,12 частиц/с без маски. Поскольку участники все еще дышали с закрытым ртом во время движения челюстью, меньшее образование частиц, вероятно, является результатом того, что участники выдыхали через нос, а не через рот (48, 51). Ношение медицинской маски или респиратора KN95 не оказало статистически значимого влияния на выброс частиц при движении челюсти по сравнению с отсутствием маски. Напротив, ношение всех других типов самодельных масок (SL-P, U-SL-T и U-DL-T) существенно увеличивает скорость выброса частиц, при этом однослойная маска дает наибольший выход 1,72 частиц/с.

Все вышеперечисленные эксперименты были также повторены с вентилируемыми респираторами N95, хотя и только с двумя участниками (из-за временных ограничений). Небольшой размер выборки исключает возможность проведения серьезных опытов, но в целом скорость выброса частиц у двух испытуемых была сопоставима с медицинской маской и невентилируемым KN95 с точки зрения снижения общих уровней выбросов.


Уровни эмиссии, представленные на рис. 2, являют собой суммарные значения для всех частиц размером от 0,3 до 20 мкм. Мы также измерили соответствующие распределения по размерам с точки зрения общей фракции для всех испытаний (рис. 3). В целом, все наблюдаемые здесь распределения по размерам были логнормальными с пиком около 0,5 мкм и быстрым распадом до незначительных долей выше 5 мкм. При дыхании без маски выделялись частицы со средним геометрическим диаметром 0,65 мкм (рис. 3а), причем 35% частиц имели наименьший размер в диапазоне от 0,3 до 0,5 мкм. Независимо от типа маски, ношение маски при дыхании значительно увеличивает эту долю частиц в диапазоне наименьших размеров (например, до 60% для респиратора KN95), смещая средний геометрический диаметр в сторону меньших размеров. При разговоре без маски образовывались частицы немного большего размера, чем при дыхании, со средним диаметром 0,75 мкм (рис. 3b). Ношение маски во время разговора повлияло на распределение по размерам качественно так же, как и при дыхании, в том смысле, что наибольшая фракция частиц была в диапазоне наименьшего размера. Однако, в отличие от дыхания, маски U-SL-T и U-DL-T выделяли наибольшие фракции мелких частиц (47% и 51% соответственно).

Рисунок 3. Наблюдаемое распределение частиц по размерам, нормированное на количество частиц/с на контейнер, связанное с (а) дыханием, (б) разговором, (в) кашлем и (г) движением челюсти, когда участники не носили маски или один из пяти рассмотренных типов масок (Surg.: медицинская маска; KN95: невентилируемый респиратор KN95; SL-P: бумажное полотенце однослойное; U-SL-T: нестиранная однослойная маска из хлопковой футболки; U-DL-T: нестиранная двухслойная маска из хлопковой футболки; N95: вентилируемый респиратор N95). Каждая кривая представляет собой среднее значение по всем 10 участникам. Сплошные линии представляют данные с использованием функции сглаживания по 5 точкам. Точки данных с горизонтальными полосами погрешностей показывают мелкие частицы диаметром от 0,3 до 0,5 мкм, обнаруженные APS, без дополнительной информации об их распределении по размерам в этом диапазоне. 

Эффект от ношения маски был более выраженным на гранулометрическом составе частиц, образующихся при кашле (рис. 3c). Без маски средний диаметр частиц, образующихся при кашле, составлял 0,6 мкм. Большинство испускаемых частиц имели наименьший размер (до 57%) во время кашля с использованием самодельных масок (SL-P, U-SL-T и U-DL-T). Мы также отмечаем, что при кашле, который вызывал самые высокие уровни эмиссии частиц из всех протестированных видов экспираторной активности, ношение самодельных масок значительно уменьшало долю крупных частиц (> 0,8 мкм). Наконец, для движения челюсти общие распределения размеров для случаев без маски и с маской были аналогичными, за исключением того, что доля самых мелких частиц была самой низкой в отсутствии маски и при ношении медицинской маски (рис. 3d). Чтобы обеспечить прямое сравнение эффективности медицинских и самодельных масок в снижении выбросов частиц разного размера, мы разделили весь диапазон размеров, измеренный с помощью APS (0,3 - 20 мкм), на три поддиапазона (наименьший, 0,3 - 0,5 мкм; промежуточное значение 0,5-1 мкм; наибольшее значение 1-20 мкм) и рассчитали соответствующее процентное изменение средней скорости выброса частиц каждого поддиапазона во время дыхания, разговора и кашля по сравнению с отсутствием маски (рис. 4). Рис. 4a показывает, что при ношении медицинских масок и респираторов KN95 во время дыхания, разговора и кашля произошло снижение скорости испускания мельчайших частиц 0,3-0,5 мкм до 92%, при этом KN95 дает меньшее снижение - 20,5% - в этом размерном ряду. Маска SL-P вызвала 60% снижение эмиссии частиц 0,3-0,5 мкм при разговоре и дыхании, но увеличила на 77% при кашле. Наименее эффективными масками с точки зрения минимизации выбросов мельчайших частиц были маски U-SL-T и U-DL-T, при этом U-SL-T существенно увеличивал выброс частиц 0,3-0,5 мкм (почти на 600% для речи), а маска U-DL-T дает очень незначительные изменения при разговоре и дыхании и почти 300% увеличение при кашле. Качественно аналогичные тенденции наблюдались для частиц среднего размера в диапазоне 0,5–1 мкм (рис. 4b), при этом маски медицинского уровня показали значительное уменьшение. Основное различие для этого диапазона размеров заключается в том, что маска SL-P обеспечивает снижение выбросов частиц при кашле на 15,7%, а маска U-DL-T обеспечивает снижение выбросов частиц при дыхании и разговоре до 34,1%.

Рисунок 4. Процентное изменение средней скорости выброса частиц (N) для 10 участников по сравнению с опытом без маски, при ношении разных типов масок (Surg.: медицинская маска; KN95: невентилируемый респиратор KN95; SL-P: бумажное полотенце однослойное; U-SL-T: нестиранная однослойная маска из хлопковой футболки; U-DL-T: нестиранная двухслойная маска из хлопковой футболки) и при дыхании (синие точки), разговоре (красные точки) или кашле (зеленые точки) для частиц следующих размеров: (а) самые маленькие, 0,3–0,5 мкм; (б) средние, 0,5–1 мкм; (в) крупные, 1–20 мкм; и (d) все размеры 0,3–20 мкм. Пунктирные линии служат для направления взгляда. 

Что касается самых больших размеров частиц (1 - 20 мкм), наблюдаемые тенденции снова были качественно аналогичны промежуточным частицам (рис. 4c), при этом маски медицинского класса давали большие сокращения. Примечательно, что маска U-DL-T пропускала гораздо меньше крупных частиц при дыхании и разговоре (примерно на 60%), но на 160% больше при кашле. Процентное изменение медианного выброса частиц во всем диапазоне размеров от 0,3 до 20 мкм представлено на рис. 4d, который показывает, что самодельные маски в целом пропускают больше частиц от кашля и обладают смешанной эффективностью в снижении выбросов частиц при дыхании и разговоре. Ключевым моментом является то, что медицинские маски и маски KN95 эффективно снижали выбросы частиц при всех проверенных нами действиях на выдохе и во всем диапазоне размеров частиц, измеренных APS.


Чтобы помочь интерпретировать наши результаты, мы также количественно оценили частицы, выделяемые при ручном трении ткани маски. Результаты (рис. 5а) показывают, что при отсутствии какой-либо экспираторной активности при трении ткани медицинской маски генерировалось в среднем 1,5 частицы в секунду, в то время как респираторы KN95 и N95 производили менее 1 частицы в секунду. Натирание самодельных бумажных и хлопковых масок привело к образованию аэрозоля значительного количества частиц, с самыми высокими значениями для масок SL-P (8,0 частиц/с) и U-SL-T (7,2 частиц/с). Любопытно, что распределение аэрозольных частиц по размерам во время ручного трения (рис. 5b) качественно отличалось от того, когда участники носили те же маски для выполнения дыхательной деятельности. Дополнительный пик появился примерно при 6 мкм, а доля мелких частиц упала до уровня ниже 27%, что свидетельствует о том, что силы трения волокон о волокна помогали фрагментировать и вытеснять более крупные частицы в воздух.


Однако важно, что при ручном трении образуется значительное количество частиц размером от 0,3 до 2 мкм, что соизмеримо с диапазоном, наблюдаемым при ношении масок во время выдоха. Обратите внимание, что крупные частицы кожи (> 2 мкм), высвободившиеся из рук во время экспериментов по натиранию ткани маски, могли внести свой вклад в наблюдаемое количество частиц (57). Однако, поскольку этот фактор был одинаковым во всех экспериментах по трению вручную, и различались только ткани лицевых масок, трудно объяснить наблюдаемые тенденции исключительно с точки зрения трения между кожей и тканями маски. Более того, хотя в этих экспериментах применяемая трибологическая сила не строго контролировалась и не оценивалась, представленные результаты убедительно свидетельствуют о том, что маски из хлопчатобумажной ткани имеют гораздо более рыхлый материал, что согласуется с нашим наблюдением, что больше частиц испускается, когда участники выполняют дыхательные действия в этой хлопковой ткани маски. 

Рисунок 5. (a) Количество частиц, выбрасываемых за секунду при трении вручную для всех протестированных масок (Surg.: медицинская; KN95: невентилируемый респиратор KN95; SL-P: однослойное бумажное полотенце; U-SL-T: однослойная нестиранная маска из хлопковой футболки; U-DL-T: нестиранная двухслойная маска из хлопковой футболки; N95: вентилируемый респиратор N95). Каждая точка данных представляет собой усредненную по времени скорость выброса частиц за 10 с трения. (b) Соответствующее распределение размеров самодельных бумажных и хлопчатобумажных масок за 30 секунд ручного протирания перед APS. Сплошные линии представляют данные с использованием функции сглаживания по 5 точкам. Точки данных с горизонтальными усами показывают мелкие частицы диаметром от 0,3 до 0,5 мкм, обнаруженные APS.

Поскольку все хлопковые маски были изготовлены из совершенно новой и нестиранной ткани, в качестве заключительного теста мы предположили, что, возможно, стирка масок удалит поверхностно связанную пыль и рыхлый материал и снизит уровень выбросов. Наши эксперименты не подтверждают эту гипотезу. Ручная стирка двухслойной маски-футболки с мылом и водой с последующей сушкой на воздухе не привела к значительному изменению скорости выброса частиц по сравнению с исходными немытыми масками (рис. 6). Кроме того, при ручном протирании вымытой двухслойной хлопковой маски в аэрозольном виде образовалось чуть больше частиц, чем из немытой маски. Эти результаты показывают, что однократная стирка мало влияет на присутствие аэрозольных твердых частиц в стандартных хлопчатобумажных тканях. Также обратите внимание, что наблюдаемые здесь диапазоны качественно согласуются с предыдущими измерениями, выполненными с теми же 4 участниками в предыдущий день (сравните результаты для каждой категории на рис. 6 с столбцами U-DL-T для соответствующих экспираторных активностей на рис. 2). Это наблюдение предполагает, что повседневная разница для одного и того же человека меньше, чем вариативность от человека к человеку, наблюдаемая для всех проверенных видов экспираторной активности и типов масок.

Анализ

Наши результаты ясно показывают, что ношение медицинских масок или невентилируемых респираторов KN95 снижает уровень выброса частиц наружу в среднем на 90% и 74% во время разговора и кашля соответственно по сравнению с нахождением без маски. Однако для самодельных хлопковых масок измеренная скорость выброса частиц либо осталась неизменной (DL-T), либо увеличилась на целых 492% (SL-T) по сравнению с отсутствием маски для всех видов экспираторной активности. При движении челюстей скорость выброса частиц для самодельных бумажных и тканевых масок была на порядок больше, чем для масок без маски (рис. 2d). Эти наблюдения, наряду с нашими результатами экспериментов по натиранию масок вручную (рис. 5), предоставляют убедительные доказательства значительного отделения неэкспираторных микронных частиц от рыхлых целлюлозных волокон бумажных и тканевых масок в результате механического воздействия (40). Более высокая скорость выброса частиц при движении челюстей, чем при дыхании, свидетельствует о том, что бумажное полотенце и хлопчатобумажные маски теряют силу трения во время движения челюстей по сравнению с дыханием, по крайней мере, такие результаты получили мы. Разница в распределении размеров при натирании маски и при выдохе с маской, вероятно, происходит из-за сильной силы трения, приложенной рукой к маске. Независимо от более крупных частиц (> 5 мкм) ткань натираемой маски генерирует значительное количество частиц в диапазоне 0,3–5 мкм, аналогичное тому, которое наблюдается при экспираторной деятельности.

Рис. 6. Скорость выброса частиц от дыхания, разговора, кашля и движения челюсти для 4 участников, одетых в немытые или вымытые двухслойные футболки-маски (U-DL-T по сравнению с W-DL-T). В последнем столбце показаны скорости выброса частиц при ручном трении мытых и немытых масок (три попытки по 10 с для каждой маски).

Это открытие подтверждает интерпретацию, согласно которой энная часть твердых частиц, наблюдаемых во время выдоха, была аэрозольными частицами самих масок.


Еще один фактор, который следует учитывать, заключается в том, что маски могут снизить разборчивость речевого сигнала (58) и могут значительно снизить интенсивность звуков, проходящих через них (например,> 10 дБ у Саеди и коллег(59)). Вероятно, в ответ на это люди в масках будут говорить громче и иным образом корректировать свою речь. Мендел и коллеги (60) обнаружили, что измеренная интенсивность речи была примерно одинаковой для группы говорящих с медицинскими масками и без них, предполагая, что говорящие увеличивали реальную интенсивность своей речи, когда носили маски. Фечер (61) обнаружил, что динамики действительно производят более громкий звук через некоторые типы масок в тех случаях, когда они переоценивают демпфирующий эффект маски. Также возможно, что у говорящих проявится ломбардный эффект при ношении определенных типов масок (62). Такая речь громче, имеет более высокую основную частоту и, как правило, имеет более длительную продолжительность гласных - характеристики, которые могут способствовать увеличению эмиссии аэрозолей (48, 49). Наши результаты показали, что среднеквадратичная амплитуда речи, измеренная внешне, когда участники носили маски любого типа, равнялась или превышала таковую в условиях без маски (рис. S1a), мы предполагаем, что участники действительно говорили громче с маской. Хотя увеличение интенсивности речевого сигнала при ношении масок привело бы к большему выходу частиц в этих условиях (48), разница в интенсивности речи в разных условиях была не очень большой (Рисунок S1a). В результате этот механизм сам по себе не может объяснить увеличение выхода частиц в некоторых условиях ношения масок. Интересно, что среднеквадратичная амплитуда кашля уменьшилась для большинства участников после того, как они надели маску (рис. S1b), что свидетельствует о том, что они не кашляют громче, когда носят маску, то есть при кашле нет эффекта ломбарда. Существенное улетучивание частиц за края тканевых масок затрудняет определение их эффективности в отношении уменьшения выброса частиц, образующихся в результате экспираторной деятельности. Измеренная эффективность фильтрации материала сильно отличается для разных материалов ткани (32, 34, 35, 63). Влияние фильтрации частиц в таких условиях ранее не рассматривалось. Наши результаты повышают вероятность того, что оседание частиц привело к заниженной эффективности фильтрации некоторых материалов. Хотя материальная эффективность хлопковых масок здесь не определялась, мы отмечаем, что использование двухслойных хлопковых масок уменьшало выброс более крупных частиц (как на нормализованной, так и на абсолютной основе), указывая на некоторую разумную эффективность в отношении уменьшения выдоха частиц. Дальнейшая работа по дифференциации выдыхаемых и выделяемых частиц, возможно, может помочь установить конкретную эффективность тканевых масок по отношению к выдыхаемым частицам. То, что маски сбрасывают волокна от механической стимуляции, указывает на то, что при снятии и очистке (для многоразовых масок) потенциально загрязненных масок необходимо соблюдать осторожность, чтобы не вытеснить осевшие микроорганизмы.

Мы также отмечаем, что уменьшение выбросов сквозь медицинские маски было больше, чем соответствующее уменьшение за счет респираторов KN95, хотя эта разница была значимой только при кашле (p <0,05). То, что медицинские маски, по-видимому, обеспечивают немного большее сокращение, чем респираторы KN95, возможно, удивительно, поскольку KN95 обычно считаются обеспечивающими большую защиту. Респираторы KN95 подобно медицинским маскам обычно имеют высокую эффективность фильтрации материала (>95%) (63), хотя качество медицинских масок может сильно разниться (64). Посадка респираторов КН95 существенно отличается. Мы не осуществляли подгонку, чтобы гарантировать хорошую герметичность. Возможно, неидеальная посадка респираторов KN95 обеспечивает больший выход частиц по сравнению с более податливым материалом медицинских масок. Тем не менее, все протестированные нами медицинские маски, респираторы KN95 и N95 обеспечили существенное снижение выбросов частиц по сравнению с отсутствием какой-либо защиты.

Особенно важным наблюдением было существование так называемого суперэмиттера - испытуемого, который по неизвестным причинам производил во время кашля на два порядка больше частиц, чем в среднем (рис. 2c, красные точки для M6). Эта огромная разница сохранялась независимо от типа защиты, даже с самой эффективной медицинской маской, уменьшалась лишь частота до значения, вдвое превышающее медианное при отсутствии маски вообще. Хотя основной механизм, приводящий к такой повышенной эмиссии частиц, неясен, эти наблюдения, подтверждают, что некоторые люди действуют как «суперэмиттеры» во время кашля, речи (48) и даже просто дыхания (65). Это наблюдение повышает вероятность того, что такие люди могут служить в качестве супер-распространителей, несоразмерно ответственных за вспышки инфекционных заболеваний, передающихся воздушно-капельным путем. Примечательно, что суперэмиттер в кашле не был дыхательным суперэмиттером или суперэмиттером в речи, что указывает на то, что тестирование только одного типа экспираторной активности не обязательно может идентифицировать суперэмиттерность для других экспираторных активностей.


В качестве заключительного комментария мы подчеркиваем, что здесь мы измерили только физическую динамику выброса аэрозольных частиц наружу для различных видов экспираторной активности и типов масок. Перенаправленный поток выдыхаемого воздуха, включающий в себя выдыхаемый воздух, движущийся вверх мимо носа или за пределы маски, здесь не измерялся, но его следует учитывать в будущих исследованиях. Аналогичным образом, необходимы более сложные биологические методы для оценки эффективности маски при блокировании эмиссии жизнеспособных патогенов. Однако наша работа повышает вероятность того, что маски, зараженные вирусом, могут выбрасывать в воздух аэрозольные фомиты, отделяемые частицы волокна от ткани маски. Поскольку эксперименты по оценке эффективности масок обычно проводятся только со свежими, неиспользованными масками, будущая работа по оценке эмиссии жизнеспособных патогенов должна учитывать эту возможность более подробно. Наша работа также поднимает вопросы о том, могут ли самодельные маски с использованием других тканей, таких как полиэстер, быть более эффективными, чем хлопок, с точки зрения блокирования выдыхаемых частиц и минимизации осыпания частиц ткани, и могут ли повторные стирки повлиять на самодельные маски. Будущие эксперименты с использованием контролируемых выбросов чистого воздуха через маски помогут устранить источник этих неэкспираторных частиц. Тем не менее, в качестве меры предосторожности, наши результаты показывают, что люди, использующие самодельные тканевые маски, должны регулярно мыть или иным образом стерилизовать их, чтобы свести к минимуму возможность выброса аэрозольных фомитов.

Вывод

Эти наблюдения напрямую демонстрируют, что ношение медицинских масок или респираторов KN95, даже без индивидуальной подгонки, существенно снижает количество частиц, выделяемых при дыхании, разговоре и кашле. Несмотря на то, что эффективность тканевых и бумажных масок не так очевидна и затрудняется отделением волокон маски, наблюдения показывают, что они, вероятно, обеспечивают некоторое снижение количества выделяемых на выдохе частиц, в частности более крупных частиц (>0,5 мкм). Мы не измеряли выброс вирусов напрямую; тем не менее, наши результаты убедительно свидетельствуют о том, что ношение маски снизит выбросы содержащих вирусы аэрозолей и капель, связанных с экспираторной деятельностью, если не произойдет заметное распространение жизнеспособных вирусов на волокна маски. Большинство испускаемых частиц находились в диапазоне аэрозолей (<5 мкм). Поскольку инерционное воздействие должно увеличиваться по мере увеличения размера частиц, кажется вероятным, что наблюдаемое здесь сокращение выбросов обеспечивает нижнюю границу уменьшения частиц в диапазоне капель (>5 мкм). Наши наблюдения согласуются с предположениями о том, что ношение масок может помочь в смягчении пандемий, связанных с респираторными заболеваниями. Наши результаты подчеркивают важность регулярной смены одноразовых масок и стирки самодельных масок и показывают, что при снятии и очистке масок необходимо соблюдать особую осторожность.

Данные в открытом доступе

Данных, полученные во время и/или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны в цифровом репозитории Dryad, https://doi.org/10.25338/B87C9V.

Источники (сноски в статье)

1. Jones, R. M. & Brosseau, L. M. Aerosol transmission of infectious disease. J. Occup. Environ. Med. 57, 501–508 (2015).

2. Tellier, R., Li, Y., Cowling, B. J. & Tang, J. W. Recognition of aerosol transmission of infectious agents: a commentary. BMC Infect. Dis. 19, 101 (2019).

3. Asadi, S., Bouvier, N., Wexler, A. S. & Ristenpart, W. D. The coronavirus pandemic and aerosols: does COVID-19 transmit via expiratory particles?. Aerosol. Sci. Technol. 54, 635–638 (2020).

4. Bourouiba, L. Turbulent gas clouds and respiratory pathogen emissions: potential implications for reducing transmission of COVID-19. JAMA 323, 1837–1838 (2020).

5. Dancer, S.J., Tang, J.W., Marr, L.C., Miller, S., Morawska, L., Jimenez, J.L. Putting a balance on the aerosolization debate around SARS-CoV-2. J. Hosp. Infect. (2020).

6. Peters, A., Parneix, P., Otter, J., Pittet, D. Putting some context to the aerosolization debate around SARS-CoV-2. J. Hosp. Infect.

(2020).

7. Allen, J., Marr, L., Re-thinking the potential for airborne transmission of SARS-CoV-2. preprints 2020, 2020050126. https://doi. org/10.20944/preprints202005.0126.v1.

8. Gralton, J. & McLaws, M. L. Protecting healthcare workers from pandemic influenza: N95 or surgical masks?. Crit. Care Med. 38, 657–667 (2010).

9. Bartoszko, J. J., Farooqi, M. A. M., Alhazzani, W. & Loeb, M. Medical masks vs N95 respirators for preventing COVID-19 in health- care workers: a systematic review and meta-analysis of randomized trials. Influenza Other Respir. Virus. https://doi.org/10.1111/ irv.12745 (2020).

10. MacIntyre, C. R. & Wang, Q. Physical distancing, face masks, and eye protection for prevention of COVID-19. The Lancet 20, 31183 (2020). 

11. Chu, D. K. et al. Physical distancing, face masks, and eye protection to prevent person-to-person transmission of SARS-CoV-2 and COVID-19: a systematic review and meta-analysis. The Lancet 20, 31142 (2020).

12. Bałazy, A. et al. Do N95 respirators provide 95% protection level against airborne viruses, and how adequate are surgical masks?.

Am. J. Infect. Control 34, 51–57 (2006).

13. Leung, N. H. L. et al. Respiratory virus shedding in exhaled breath and efficacy of face masks. Nat. Med. 26, 676–680 (2020).

14. Bowen, L. E. Does that face mask really protect you?. Appl. Biosaf. 15, 67–71 (2010).

15. Rengasamy, S., Eimer, B. & Shaffer, R. E. Simple respiratory protection—evaluation of the filtration performance of cloth masks and common fabric materials against 20–1000 nm size particles. Ann. Occup. Hyg. 54, 789–798 (2010).

16. Milton, D.K., Fabian, M.P., Cowling, B.J., Grantham, M.L., McDevitt, J.J. Influenza virus aerosols in human exhaled breath: particle size, culturability, and effect of surgical masks. Plos Pathog. 9, (2013).

17. Prather KA, Wang CC, Schooley RT. Reducing transmission of SARS-CoV-2. Science, eabc6197 (2020).

18. He, X. et al. Temporal dynamics in viral shedding and transmissibility of COVID-19. Nat. Med. 26, 672–675 (2020).

19. Rothe C, et al. Transmission of 2019-nCoV infection from an asymptomatic contact in Germany. N. Engl. J. Med. 382, (2020).

20. Wölfel R, et al. Virological assessment of hospitalized patients with COVID-2019. Nature (2020).

21. Cheng, K.K., Lam, T.H., Leung, C.C. Wearing face masks in the community during the COVID-19 pandemic: altruism and soli- darity. The Lancet (2020).

22. Feng, S. et al. Rational use of face masks in the COVID-19 pandemic. The Lancet Respirat. Med. 8, 434–436 (2020).

23. U. S. Center for Disease Control, Recommendation Regarding the Use of Cloth Face Coverings, Especially in Areas of Significant Community-Based Transmission: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/prevent-getting-sick/cloth-face-cover.html, access: 19 May 2020, 2020.

24. World Health Organization: Advice on the use of masks in the context of COVID-19, WHO/2019-nCov/IPC_Masks/2020.3, 2020.

25. Jefferson T, et al. Physical interventions to interrupt or reduce the spread of respiratory viruses. Cochrane Database System. Rev.

(2011).

26. Wong, V. W. Y., Cowling, B. J. & Aiello, A. E. Hand hygiene and risk of influenza virus infections in the community: a systematic review and meta-analysis. Epidemiol. Infect. 142, 922–932 (2014).

27. Lau, M. S. Y., Cowling, B. J., Cook, A. R. & Riley, S. Inferring influenza dynamics and control in households. Proc. Natl. Acad. Sci.

112, 9094 (2015).

28. MacIntyre CR, Chughtai AA. Facemasks for the prevention of infection in healthcare and community settings. BMJ: Br. Med. J.

350, h694 (2015).

29. Smith, S. M. S. et al. Use of non-pharmaceutical interventions to reduce the transmission of influenza in adults: a systematic review.

Respirology 20, 896–903 (2015).

30. Saunders-Hastings, P., Crispo, J. A. G., Sikora, L. & Krewski, D. Effectiveness of personal protective measures in reducing pandemic influenza transmission: a systematic review and meta-analysis. Epidemics 20, 1–20 (2017).

31. Dharmadhikari, A. S. et al. Surgical face masks worn by patients with multidrug-resistant tuberculosis: impact on infectivity of air on a hospital ward. Am. J. Respir. Crit. Care Med. 185, 1104–1109 (2012).

32. Davies, A. et al. Testing the efficacy of homemade masks: would they protect in an influenza pandemic?. Disaster Med. Public Health Preparedness 7, 413–418 (2013).

33. Harnish, D. A. et al. Challenge of N95 filtering facepiece respirators with viable H1N1 influenza aerosols. Infect. Control Hosp. Epidemiol. 34, 494–499 (2013).

34. Mueller, W. et al. The effectiveness of respiratory protection worn by communities to protect from volcanic ash inhalation. Part I: Filtration efficiency tests. Int. J. Hyg. Environ. Health 221, 967–976 (2018).

35. Jung, H. et al. Comparison of filtration efficiency and pressure drop in anti-yellow sand masks, quarantine masks, medical masks, general masks, and handkerchiefs. Aerosol. Air Qual. Res. 14, 991–1002 (2014).

36. Shah, M., Crompton, P. & Vickers, M. D. The efficacy of face masks. Ann. R. Coll. Surg. Engl. 65, 380–381 (1983).

37. van der Sande, M., Teunis, P. & Sabel, R. Professional and home-made face masks reduce exposure to respiratory infections among the general population. PLoS ONE 3, e2618 (2008).

38. Green, C. F. et al. Effectiveness of selected surgical masks in arresting vegetative cells and endospores when worn by simulated contagious patients. Infect. Control Hosp. Epidemiol. 33, 487–494 (2012).

39. Licina, D., Tian, Y. & Nazaroff, W. W. Emission rates and the personal cloud effect associated with particle release from the perihu- man environment. Indoor Air 27, 791–802 (2017).

40. Licina, D. & Nazaroff, W. W. Clothing as a transport vector for airborne particles: chamber study. Indoor Air 28, 404–414 (2018).

41. McDonagh, A. & Byrne, M. A. A study of the size distribution of aerosol particles resuspended from clothing surfaces. J. Aerosol. Sci. 75, 94–103 (2014).

42. S Mehta SPHPATAGB. Evaluating textiles and apparel for controlling contamination in cleanrooms performance of protective clothing: fourth volume. ASTM International (1992).

43. Killingley, B. & Nguyen-Van-Tam, J. Routes of influenza transmission. Influenza Other Respir. Viruses 7, 42–51 (2013).

44. Edward, D. G. F. Resistance of influenza virus to drying and its demonstration on dust. Lancet 2, 664–666 (1941).

45. Khare, P. & Marr, L. C. Simulation of vertical concentration gradient of influenza viruses in dust resuspended by walking. Indoor Air 25, 428–440 (2015).

46. Asadi, S. et al. Influenza A virus is transmissible via aerosolized fomites. Nat. Commun. 11, 4062 (2020).

47. Liu, Y. et al. Aerodynamic analysis of SARS-CoV-2 in two Wuhan hospitals. Nature, (2020).

48. Asadi, S. et al. Aerosol emission and superemission during human speech increase with voice loudness. Sci. Rep. 9, 2348 (2019).

49. Asadi, S. et al. Effect of voicing and articulation manner on aerosol particle emission during human speech. PLoS ONE 15, e0227699–e0227699 (2020).

50. Tang, J. W., Liebner, T. J., Craven, B. A. & Settles, G. S. A schlieren optical study of the human cough with and without wearing masks for aerosol infection control. J. R. Soc. Interface 6, S727–S736 (2009).

51. Morawska, L. et al. Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities. J. Aerosol. Sci. 40, 256–269 (2009).

52. Su, Y. Y., Miles, R. E. H., Li, Z. M., Reid, J. P. & Xu, J. The evaporation kinetics of pure water droplets at varying drying rates and the use of evaporation rates to infer the gas phase relative humidity. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 23453–23466 (2018).

53. Fairbanks, G. Voice and articulation drillbook Vol. 2 (Harper & Row, New York, 1960).

54. U. S. Center for Disease Control, How to Make Cloth Face Coverings: https://www.cdc.gov/coronavirus/2019-ncov/prevent-getti ng-sick/how-to-make-cloth-face-covering.html. Accessed 24 May 2020.

55. Crafty Journal-Imaginative craft ideas and tip, DIY paper towel face mask: shttps://craftyjournal.com/diy-paper-towel-face-mask/. Accessed 28 May 2020.

56. Occupational Safety and Health Administration, Respiratory Fit Testing: https://www.osha.gov/video/respiratory_protection/fitte sting.html, Accessed 28 May 2020.

57. Bhangar, S. et al. Chamber bioaerosol study: human emissions of size-resolved fluorescent biological aerosol particles. Indoor Air

26, 193–206 (2016).

58. Palmiero, A. J., Symons, D., Morgan, J. W. & Shaffer, R. E. Speech intelligibility assessment of protective facemasks and air-purifying respirators. J. Occup. Environ. Hyg. 13, 960–968 (2016). 

59. Saeidi, R., Huhtakallio, I., Alku, P. Analysis of face mask effect on speaker recognition. In INTERSPEECH, 1800–1804, (2016).

60. Mendel, L. L., Gardino, J. A. & Atcherson, S. R. Speech understanding using surgical masks: a problem in health care?. J. Am. Acad. Audiol. 19, 686–695 (2008).

61. Fecher, N. Effects of forensically-relevant facial concealment on acoustic and perceptual properties of consonants, Doctoral dis- sertation, University of York (2014).

62. Bond, Z. S., Moore, T. J. & Gable, B. Acoustic-phonetic characteristics of speech produced in noise and while wearing an oxygen mask. J. Acoust. Soc. Am. 85, 907–912 (1989).

63. Konda, A., Prakash, A., Moss, G.A., Schmoldt, M., Grant, G.D., Guha, S. Aerosol filtration efficiency of common fabrics used in respiratory cloth masks. ACS Nano (2020).

64. Oberg, T. & Brosseau, L. M. Surgical mask filter and fit performance. Am. J. Infect. Control 36, 276–282 (2008).

65. Edwards, D. A. et al. Inhaling to mitigate exhaled bioaerosols. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 17383–17388 (2004).

Дополнительные данные

Благодарности

Это исследование было поддержано Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний Национального института здоровья (NIAID/NIH), грант R01 AI110703.


Авторский вклад

S.A. провела измерения APS для взвешенных в воздухе частиц, изготовила самодельные маски, провела статистический анализ и подготовила цифры. S.A., C.D.C и W.D.R. проанализировали данные APS и написали рукопись. S.A. и S.B. проанализировали и интерпретировали акустические данные. Все авторы проверили и исправили рукопись на предмет точности и интеллектуального содержания.


Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.


Дополнительная информация

Дополнительная информация к этому документу доступна по адресу https://doi.org/10.1038/s41598-020-72798-7.


Переписку и запросы материалов следует направлять в W.D.R.


Информация о перепечатках и разрешениях доступна на сайте www.nature.com/reprints.


Примечание издателя: Springer Nature сохраняет нейтралитет в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.


Открытый доступ: эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или формат, при условии, что вы надлежащим образом указываете автора (авторов) и источник, предоставляете ссылку на лицензию Creative Commons и указываете, были ли внесены изменения. Изображения или другие материалы третьих лиц в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной линии для материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons для статьи и ваше предполагаемое использование не разрешено законодательными актами или превышает разрешенное использование, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.


© Автор (ы) 2020