Roušky se staly nezbytným doplňkem našeho oblečení, a jak se zdá, budeme je ještě nějakou dobu potřebovat; na trhu se objevily roušky i v podobě nápaditých módních doplňků. Vlastnosti roušek však prodejci v rámci svých nabídek často nekriticky vychvalují. Nejčastěji jsou skloňována slova obsahující prefixoid nano-.
Nanoroušky jsou hitem slibujícím zaručenou, někdy téměř 100% ochranu před nebezpečnými viry. Realita je však trochu jiná. Jak nedávno ukázaly výsledky testů na Technické univerzitě v Liberci (TUL), některé „nanoroušky“ neobsahovaly žádnou nanovlákennou textilii ani žádné nanočástice, které by vylepšovaly vlastnosti roušek. „Je to klamavá reklama. Byl bych rád, aby z českého trhu zmizely nepoctivci, kteří zneužívají situace k osobnímu obohacení. Naše testy by k tomu měly přispět,“ uvedl vědecký pracovník Fakulty strojní TUL Pavel Kejzlar, který se na testování roušek podílel. Česká obchodní inspekce (ČOI) již uvedla, že se bude případem zabývat.
TŘI POHLEDY: FILTRACE, STRUKTURA, ANTIBAKTERIÁLNÍ TESTY
Pro objektivní posouzení účinnosti roušek jsou podle libereckých vědců důležité tři aspekty: účinnost filtrace, struktura, antibakteriální vlastnosti. Z hlediska filtrace testuje roušky Jakub Hrůza z Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CxI) TUL. Filtrací se zabývá již léta. Na jaře pomáhal týmům, které se na liberecké univerzitě zapojily do vývoje a návrhu roušek a při současném testování zúročuje své zkušenosti a poznatky z předchozího výzkumu. Testováním struktury roušek se zabývá Pavel Kejzlar z Fakulty strojní TUL.
MĚŘENÍ Z HLEDISKA FILTRACE, DŮLEŽITÉ JSOU NORMY
U roušek a respirátorů se při filtraci souběžně posuzují dvě v podstatě protichůdné vlastnosti: jak je použitý materiál účinný při záchytu částic a jaký má dýchací odpor. Ideální by byla rouška, která by s maximálním záchytem malých částic (virů) byla dobře prodyšná – tedy měla by minimální dýchací odpor. Každý materiál má přitom své limity a v podstatě platí, že pokud zvyšujeme účinnost proti průniku malých částic, zvyšuje se odpor a tím se zhoršuje dýchání. Vývojáři materiálu vhodného pro roušky musí tedy „balancovat“ mezi těmito dvěma vlastnostmi. Dá se to vůbec? Jakub Hrůza je přesvědčen, že ano. Jsou k tomu ale potřeba jasně definované požadavky, a tedy i normy, podle kterých je možné srovnávat konkrétní materiály.
Virovou pandemii covidu-19 podle něj žádná norma optimálně neřešila. Nabízejí se tak normy pro ochranné pomůcky – respirátory v prašném prostředí (EN149 a další). Ty dbají na to, aby byl člověk chráněný před jemnými prachovými částicemi, které jsou ovšem poněkud větší než bakterie a viry – střední velikost testovaných částic je 600 nm. Respirátor musí mít také určitou životnost, póry v materiálu (mezery mezi vlákny) se tedy nesmějí prachem ucpat.
„Použijeme-li takový respirátor v normálním prostředí, nebude se ucpávat jako někde na stavbě, ale reálná účinnost filtrace bakterií a virů bude nižší a vlastnosti se také mohou vlivem opotřebení zhoršovat,“ říká Jakub Hrůza a připomíná druhou skupinu norem zaměřenou na lékařské roušky, od počátku zaměřené na ochranu proti přímé kapénkové infekci. Takové roušky by měly zachytit kapičky obsažené v dechu i při kašli.
Požadován je minimální odpor, aby se daly roušky dobře prodýchat i po několika hodinách. „Filtrační vlastnosti u těchto roušek jsou ale potlačené. Hovoří se sice o 90–95% záchytu, což na první pohled vypadá při jejich dobré prodyšnosti krásně, musíme si však uvědomit, že normy se týkají záchytu kapiček vody s obsahem virů a bakterií o průměru cca 3 000 nm. Ty jsou z hlediska filtrace obrovské a netýkají se virů ani bakterií volně rozptýlených ve vzduchu. Pro posouzení roušek je proto nutné si ujasnit, jaké částice mají vlastně zachytávat,“ zdůrazňuje Jakub Hrůza. Připomíná, že vzhledem k situaci vyšla začátkem listopadu nová norma, která zohledňuje aktuální požadavky při použití pro širokou veřejnost.
MUSÍME VĚDĚT, CO CHCEME FILTROVAT
Podle doktora Hrůzy je potřeba si ujasnit, co chceme filtrovat a s jakou účinností. „Když tvrdím, že moje roušky mají účinnost 99,9 %, můžu mít pravdu. Je třeba ale upřesnit, jakých částic se tato účinnost týká a jaké vlastnosti má rouška mít. Jde-li o viry o velikosti 80 či 100 nm a jejich shluky 200–300 nm, jde z hlediska aplikace o velmi dobrý výsledek. Pokud však rouška zachycuje jen 60 až 70 %, je nereálné požadovat, aby rouškou neprošel ani jeden vir. Jejich úlohou je snižovat koncentraci virů tak, aby imunitní systém nedostal příliš velký šok. Z tohoto pohledu vykazují tkané nebo pletené roušky účinnost téměř zanedbatelnou (5–10 %), přesto však mají smysl. Pokud dokážou zachytit alespoň kapénky vody, chráním tím především okolí. Nemohu ale očekávat, že budu sám chráněn v dlouhodobě kontaminovaném prostředí, kde kapičky vody vyschly a já vdechuji samotné viry. Dokud se tedy neupřesní, jakých částic se účinnost roušek týká, nebude ve filtraci jasno,“ vysvětluje Jakub Hrůza a zároveň varuje před reklamami na téměř zázračné nanoroušky.
JAK SE TO MĚŘÍ
Při měření účinnosti použitého materiálu se vychází z reality dýchání. V principu to je tak, že je vzorek simulovaně namáhán proudem vzduchu s částicemi. Horní část přístroje generuje olejové částice, které směrem dolů prolétávají přes filtr. Sondy při tom měří tlak před a za filtrem. Částice následně projdou jednotkou, kde se jejich koncentrace naředí v určitém poměru (1 : 100, 1 : 10 000 apod.). Počítač částic umístěný za ředicí jednotkou pak měří koncentraci a velikost částic. Je-li známa při stejném dávkování koncentrace částic ve vzduchu bez vloženého filtru a s ním, je možné určit jejich podíl, což v podstatě určuje efektivitu filtrace.
Během testu se také prověřuje, jaký rouška klade proudění odpor. Přitom je nutné brát v úvahu, že odpor je závislý i na rychlosti proudění vzduchu. „Normy na to pamatují. Třeba norma na respirátory stanovuje, že se testy provádějí při průtocích 30 l/min a 95 l/min. Nižší průtok odpovídá pohodovému dýchání v klidu. Druhý, vyšší průtok odpovídá proudění vzduchu do plic při pohybu člověka, třeba při chůzi do schodů. A tyto parametry je nutné při testování dodržet.
Testovaný materiál nebo celá rouška se vkládají do přípravku vyvinutého na TUL. Původně byl přístroj schopen měřit jen plošné materiály, nyní se v přípravku, stejně jako na testovací hlavě, měří celá plocha roušky.
„Pro hodnocení kvality, musím také zohlednit, zda rouška těsně přiléhá k obličeji. To na testeru nezměřím. Těsnost je ale dost důležitá. Roušky by měly zkrátka dobře pasovat.“ Dalším důležitým parametrem je podle Hrůzy i plocha, s jejíž velikostí se snižuje odpor, a proto se ve velké roušce lépe dýchá. Malé, efektní módní doplňky nejsou podle něj příliš účinné. Krása jde na úkor účinnosti a někdy i příjemného dýchaní. Méně je více, minimum je nejlepš í Zařízení, na kterém Jakub Hrůza měří účinnost roušek, bylo původně určeno na testy plošných materiálů pro hepafiltry do klimatizací. Jeho výhodou je, že neměří jeden typ částic, ale průnik částic ve velkém rozsahu velikostí od 120 nm do 3 μm. Dokáže tedy vyhodnotit, jak se bude filtr chovat při záchytu různých velikostí částic.
„Pokud je to potřeba, zaměřím se na filtraci virů. Pak se ale musím ptát biologů, jestli se ten vir vyskytuje samostatně, nebo zda viry aglomerují. Kdybych měl spotřebitelům říci poctivě nějaké číslo, udával bych filtrační minimum obvykle charakterizované částicemi o velikosti 100–300 nm. Jistě, marketingově je příjemnější udávat účinnost přesahující 99 %, to ale není seriózní informace. Osobně považuji účinnost roušky kolem 60 % za velmi solidní,“ říká doktor Hrůza s tím, že výsledky který spočítá rovnou účinnost a tlakový spád. Na základě těchto údajů se zpracuje protokol včetně filtrační třídy – záleží na tom, zda se měří materiál pro klimatizační filtry, respirátory nebo pro roušky. Testování provádí pro prodejce roušek i pro výrobce materiálů. „Certifikaci naše laboratoř nemá, ale firmy, které certifikaci potřebují, si u nás nechají otestovat, které materiály se na certifikaci vyplatí poslat,“ konstatuje. Dodává, že i dnes ještě občas dostane k testování naprosto nefunkční materiál.
ANTIBAKTERIÁLNÍ TESTY VARUJÍ PŘED CHEMICKÝMI VRSTVAMI
Na liberecké univerzitě testovali i bavlněné roušky. Ty obecně neposkytují příliš vysokou účinnost záchytu (dle EN149 zpravidla okolo 20 %), navíc v případě roušek z přírodních materiálů, jako je bavlna, je také třeba dbát důsledně na sterilizaci. „V prostoru mezi rouškou a ústy je po chvíli relativně vysoká vlhkost a teplota, což jsou podmínky, které významně podporují množení zachycených bakterií. Řada výrobců se toto snaží řešit aplikací různých antibakteriálních úprav, často například pomocí nanočástic. To však může i přímo ohrozit zdraví. Především je nutné hlídat způsob a kvalitu fixace takovýchto látek.
Často se setkáváme s tím, že mikronebo nanočástice nejsou řádně fixovány, a mohou tak při respiraci vnikat do těla, kde mohou ublížit více než samotné bakterie. Na rouškách jsme v naší mikrobiologické laboratoři zjistili například i toxické sloučeniny na bázi pyrithionu zinečnatého. Takovéto částice dokážou prakticky zlikvidovat přirozenou mikroflóru na pokožce. Hodně záleží na formě a způsobu fixace antibakteriální úpravy.
Měli jsme případy, kdy po jednom vyprání byla vrstva místo na roušce v odpadní vodě. To také není hezká představa. Výrobci by měli dbát zejména na stabilitu antibakteriální vrstvy, namísto bezhlavého nadužívání toxických nanočástic, jen aby získali marketingově atraktivní produkt s označením NANO,“ přidává své poznatky Pavel Kejzlar z Fakulty strojní TUL, který testuje roušky z hlediska struktury.
TESTY STRUKTURY URČÍ ÚČINNOST MATERIÁLU
Testy struktury materiálu určí spolehlivě, které roušky jsou účinné a které nefungují. Má-li rouška zachytit viry, tedy nanočástice o velikosti 90 až 130 nm, musí tomu odpovídat struktura látky. „Struktura by v sobě neměla mít výrazně větší póry, oka nebo jiné mezery, než jsou částice, které má zachytit. Je to logické. Pokud chceme tyto částice zachytit, nějakou hustou, nejspíše netkanou textilií, velikost pórů nemůže být větší než jednotky mikrometrů. Chceme-li se bavit o účinném záchytu virů, mohou mít póry mezi jednotlivými vlákny maximálně 1 μm,“ charakterizuje stručně funkční strukturu Pavel Kejzlar. Pro názorný příklad uvádí, že bakterie E. coli je dlouhá 2–3 μm a její průměr je zhruba 0,6 μm, průměr kulaté bakterie zlatého stafylokoka se pohybuje od 500 do 1 000 nm.
Pokud výrobce použije netkanou textilii typu melt-blown [na rozdíl od jiných vláken má zhruba desetinové průměry, vhodná je na filtry a sorbenty například olejových látek – poznámka redakce] v několika vrstvách, je průchodu takových částic schopna bez problému zabránit. Třeba respirátory tříd FFP 3 žádnou nanotextilii nemají. Jsou však tvořeny několika vrstvami (tzv. sendvičem) mikrovláken, kde už druhá vrstva mikrovláken výrazně snižuje možnost průniku těchto částic. Pavel Krezlar zdůrazňuje, že je velmi důležitá struktura použité tkaniny či pleteniny nebo forma membrány, která má částice zachytávat.
DŮLEŽITÝ JE ZPŮSOB VÝROBY NANOTEXTILIE
Když doktor Krezlar hovoří o netkaných nanotextiliích, zdůrazňuje velký rozdíl mezi metodami jejich výroby formou elektrostatického zvlákňování stejnosměrným nebo střídavým proudem. V prvém případě vzniká kompaktní membrána s opravdu velmi malými póry. Záchyt je v tomto případě excelentní, ale takovou membránu nelze prakticky prodýchnout. „Testoval jsem takovou roušku s vysoce kvalitní membránou od českého výrobce. Obsahovala dvě ochranné mikrovlákenné vrstvy pro spolehlivý záchyt hrubších nečistot a mezi nimi byla ještě velmi tenká nanomembrána. Pokud si člověk takovou roušku s hustou nanotextilií nasadí a neudusí se na třetím schodu, znamená to, že dýchá skulinami okolo kořene nosu nebo u tváří. Rouška sice nic nepropustí, ale volná netěsnící místa ano,“ shrnuje doktor Kejzlar.
ELEKTRONOVÝ MIKROSKOP SPOLEHLIVĚ URČÍ HUSTOTU MATERIÁLU
Na elektronovém mikroskopu s rozlišovací schopností 1 nm doktor Kejzlar spolehlivě určí, zda se ve struktuře nanomembrán nevyskytují nežádoucí trhliny narušující jejich integritu. Rozebere materiál roušky na jednotlivé vrstvy a pomocí oboustranné uhlíkové pásky je nalepí na terčíky, které umístí do elektronového mikroskopu. Ten umožní zvětšit zkoumaný vzorek až milionkrát.
„V takovém mikroskopu možné detekovat i celou řadu dalších signálů - sekundární elektrony nesoucí topografický kontrast, zpětně odražené elektrony pro chemický kontrast nebo například charakteristické rentgenové, nesoucí informaci o chemickém složení záření. Analýzou těchto signálů je možné získat komplexní charakteristiku zkoumaného materiálu - strukturu i lokální chemické složení včetně distribuce prvků i krystalografii. Ze struktury jsem schopen odhadnout, jaké materiál vykazuje vlastnosti a zda má potřebný potenciál. Občas dojdu k opačnému závěru, než jaký prezentují výrobci na svých stránkách," shrnuje Pavel Kejzlar.
Na konkrétním případě ukazuje kompaktní membránu, která má vyšší gramáž. V tomto případě, když se jedno vlákno přetrhne, další vlákno ve spodní vrstvě pronikající částici zachytí. Když je ale nanovlákenná membrána slabá a nekvalitní, objevují se v ní propustné trhliny. S rezervou je podle něj také potřeba brát tvrzení výrobců, že nanorouška je opakovaně použitelná, protože při praní se nanovrstvy snadno nenávratně poruší. Konstatuje, že jsou jednoznačně výhodnější vícevrstvé roušky. „Je to stejné jako když se oblékáte v zimě na hory," říká.
NENÍ NANO JAKO NANO
Častou příčinou nekvalitních membrán jsou podle doktora Kejzlara špatné technologické parametry. Co se týče elektrostatického zvlákňování, hraje v tom roli řada různých parametrů: napětí, viskozita použitého polymeru, pracovní vzdálenost kolektoru od zvlákňovacího válce, rychlost posunu sběrné textilie, na kterou se nanovlákenná vrstva zachytává atd. Hustota struktury se prakticky řídí rychlostí odtahu stroje. Čím jede stroj pomaleji, tím je nanovlákenná vrstva hustější a má vyšší gramáž.
Záleží na tom, pro jakou aplikaci je materiál určený. Pokud výrobci použijí u roušek monovrstvu vláken s malou gramáží, rouška nefunguje. Monovrstva totiž může vykazovat různé defekty, které mohou souviset například se špatnou viskozitou zvlákňovaného polymeru. Vznikají pak póry, kterými bakterie i viry snadno proniknou. Na druhé straně ale je u roušek sporná i vysoce kvalitní kompaktní nanomembrána s vysokou gramáží, kterou není člověk schopný prodýchat. Proto je potřeba hledat optimální hustotu a gramáž.
„Zvlákňováním polyvinylbutyru jsme schopni vyrobit materiál, který zachytí až 99,1 % virů, a je to skvělý materiál na kvalitní filtry. Jenže struktura je tak hustá, že ji člověk neprodýchne, a pro výrobu roušek je proto nevhodná. Museli jsme proto najít kompromis a zastavili jsme se u záchytu mezi 50 a 80 %,“ řekl již dříve naší redakci člen vědeckého týmu z liberecké katedry chemie Petr Mikeš, který záchyt 99 % virů považuje u roušek za marketinkový trik výrobců.
ZKLAMÁNÍ Z NABÍDKY NA TRHU
Testování přineslo libereckým výzkumníkům i určité zklamání. Při aktuálním testování nanoroušek zvolili formu takzvaného slepého testu. Pracovníci, kteří samotný test prováděli, neznali výrobce, zemi původu ani další identifikační údaje roušek. Některé z „nanoroušek“ v testech naprosto propadly.
„V místech, kde dochází ke křížení osnovy a útku, jsme zaznamenali průduchy o velikosti až 30 μm. To je v přepočtu 30 tisíc nm. Když uvážíme, že koronaviry SARS-CoV-2 mají velikost 80 až 130 nm, umožňují jim takovéto póry v mikrovlákenné textilii bezproblémový průchod,“ uvedl Pavel Kejzlar.
„Zjistil jsem také, že jeden výrobce roušek uvádí u svého výrobku střední bavlněnou prachotěsnou vrstvu. Musel jsem ale konstatovat, že to ani není bavlna, protože ta nemá kulatá vlákna, a navíc nebyla ani prachotěsná, protože mezi vlákny byly póry až 130 μm.“
Na výsledky zkoumání na TUL upozornila Asociace nanotechnologického průmyslu ČR. Česká obchodní inspekce (ČOI) v reakci na tyto závěry uvedla, že se bude případem zabývat. Mluvčí ČOI Jiří Fröhlich již dříve novinářům sdělil, že v ČR aktuálně není akreditovaná laboratoř na nanomateriály a nanovlákna, a zvažuje se proto provedení testů v zahraničí. „Výsledky z Liberce prověříme a budeme s nimi dále pracovat, byť to nejsou informace z akreditované laboratoře,“ uvedl.
BUDOUCNOST FOTOKATALIKY
Na nanoroušky a nanorespirátory se velmi často spoléhají lidé se sníženou imunitou, onkologičtí pacienti, lidé s chronickými respiračními onemocněními a další rizikové skupiny. Pavel Kejzlar nechce, aby byli tito lidé klamáni nepravdivými údaji a nefunkčními výrobky. Proto se aktivně zapojil do testování roušek na českém trhu. A proto se se svým týmem z Laboratoře aplikované fotokatalýzy CxI TUL zapojil i do projektu zaměřeného na fotokataliku, kdy na tkaninu nanáší aktivní fotokatalickou vrstvu. Ke sterilizaci takové roušky by stačil sluneční svit, protože na světle probíhají oxidačně redukční reakce, při kterých se mikroorganismy rozkládají. Roušky, na které si možná budeme muset zvykat víc, než nám bude milé, jsou tedy velkou výzvou i pro vědce napříč řadou oborů.