COVID-19 – ¿Lecciones aprendidas?

Tomado de Textile World
25 de julio de 2021

Por Behnam Pourdeyhimi, editor técnico; Simon Schick; y Robert Groten

Los respiradores y máscaras faciales actuales se centran en dos tecnologías clave: fibras finas sopladas en fusión; y una carga electrostática.

Las innovaciones en la fabricación brindarán una protección más confiable, asequible y adaptable frente a
la próxima pandemia.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) publicó recientemente los hallazgos de su investigación sobre lo que salió bien y lo que salió mal mientras el mundo se enfrentaba a la pandemia de coronavirus. Un informe de 86 páginas señaló que había “eslabones débiles en cada punto de la cadena de preparación y respuesta”. Un panel de 13 miembros designado por la OMS calificó la pandemia de COVID-19 como un “desastre prevenible”.

Algunas de las recomendaciones resultantes de la investigación incluyeron:
-Crear un sistema mejorado de vigilancia y alertas de enfermedades, a una velocidad que pueda combatir
virus como el que causa el COVID-19, junto con la autoridad para que la OMS publique información y envíe
misiones de expertos de inmediato.

-La capacidad de producir vacunas, diagnósticos, productos terapéuticos y suministros y asegurar su entrega
rápida y equitativa como bienes comunes globales esenciales.

-La producción y el acceso a las pruebas y tratamientos de COVID-19, incluido el oxígeno, debe ampliarse
urgentemente en los países de ingresos bajos y medianos.

 

La vicepresidenta Kamala Harris y la embajadora de los Estados Unidos, Linda Thomas-Greenfield, abrieron
recientemente un diálogo sobre la preparación para una pandemia con el objetivo de aprender las lecciones
aprendidas del COVID-19, que fue organizado conjuntamente por Argentina, Noruega, Japón, Sudáfrica y los
Estados Unidos.

“La conclusión del año pasado es clara: el mundo apenas resistió esta pandemia”, dijo Thomas-Greenfield
dirigiéndose al grupo global compuesto por líderes políticos, de salud pública y de organizaciones no
gubernamentales. “Debemos estar preparados para el próximo. No podemos seguir invirtiendo
insuficientemente, después de brotes, epidemias y ahora una pandemia, en nuestra capacidad para prevenir,
detectar y responder a las amenazas de enfermedades infecciosas “.

Tenga en cuenta que la OMS no aborda específicamente los desafíos con el equipo de protección personal
(EPP), sino que se centra en los desafíos con la terapéutica, entre otras soluciones. El segundo punto anterior
es un punto clave: tener la capacidad de producir lo que se necesita rápidamente y entregar estos
suministros de manera global y equitativa.

Cuando se trata de productos como las mascarillas faciales, por ejemplo, es difícil producirlos rápidamente y
distribuirlos de manera equitativa en los países de ingresos bajos y medianos. Se necesita un cambio de
paradigma y las máscaras de tela no son la solución

Fondo

La cobertura protectora de la boca y la nariz se remonta a principios del siglo XX. En 1897, Carl Friedrich
Flügge discutió la posibilidad de infecciones por gotitas originadas por la tos y, curiosamente, identificó por
primera vez la importancia del distanciamiento social(1,2). Se discutió la transmisión aérea del cólera, la peste
y la meningitis cerebroespinal y se reconoció la importancia de usar un “vendaje bucal”, una sola capa de
gasa de algodón(1). Posteriormente, las mascarillas faciales a base de algodón se utilizaron ampliamente
durante la pandemia de gripe española de 1918-1920.

En contraste con esta tecnología simple basada en tela, los respiradores y mascarillas faciales actuales se
centran en dos tecnologías clave: fibras finas, fundidas por soplado; y una carga electrostática. Meltblowing
en sí se remonta a 1941, cuando se inventó el proceso(3). Inmediatamente se reconoció que el soplado en
fusión puede producir fibras muy finas en comparación con el hilado por fusión tradicional de fibras(4). La
fusión por soplado es un proceso a gran escala muy económico que crea diámetros de fibra que van desde
submicrónicos hasta unos pocos micrones.

La carga electrostática mejora la eficiencia de interceptación de partículas de tales fibras al tiempo que
produce una caída de presión general significativamente menor, una medida de la resistencia que encuentra
el aire cuando fluye a través de la máscara, que debe ser lo suficientemente baja como para que el esfuerzo
requerido para respirar sea tan normal como posible.

Otras tecnologías críticas se centraron en garantizar que la densidad de carga fuera inicialmente alta y, lo que
es más importante, estable. La primera máscara “moderna” se introdujo en 1967(5), mientras que el primer
respirador se patentó en 1976. Un desarrollo crítico fue la aplicación de carga electrostática a las bandas
fundidas por soplado en 1980(6). Pronto siguieron las patentes clave que condujeron a los respiradores N95
ampliamente utilizados en la actualidad. La primera patente de este tipo se otorgó a 3M Co., con sede en
Saint Paul, Minnesota, en 1980, cuando se cargó una estructura fundida por soplado para formar un filtro
electrostático de alta eficiencia(7). En 1985, 3M desarrolló el primer respirador moderno moldeado en forma
de copa(8).

Filtración ideal

Los aerosoles son una suspensión de partículas sólidas o líquidas en un gas que varía en tamaño de 2
nanómetros (nm) a 100 micrómetros. Los bioaerosoles son aerosoles de origen biológico, incluidos virus,
bacterias y hongos. Un filtro ideal elimina solo las partículas de aerosol no deseadas del aire y lo hace sin
crear una gran caída de presión. Hay cuatro mecanismos primarios de filtración de aerosoles(9) (ver Figura 1).

 

Figura 1: Mecanismos de filtración

La corriente de aire se dobla a medida que se mueve alrededor de las fibras. Las partículas grandes quedan
atrapadas por impacto inercial. Las partículas grandes tienen una alta probabilidad de impactar con una fibra
porque la inercia hace que se desvíen de la línea de corriente. La impactación inercial es para micropartículas
grandes y se vuelve importante a velocidades altas y medias. Las partículas muy pequeñas también tienen
una alta probabilidad de golpear una fibra debido al movimiento browniano. El movimiento browniano se
produce cuando las partículas chocan con moléculas de gas (aire) que son mucho más pequeñas que las
partículas. Esto conduce a un movimiento caótico, desordenado y brusco, que conduce a la difusión. El
mecanismo de captura de partículas de menos de 100 nm se debe principalmente a la difusión.

Sin embargo, las partículas de mayor tamaño, de aproximadamente 100 nm a 400 nm, con
aproximadamente 300 nm representando el tamaño de partícula más difícil de capturar, normalmente
siguen las líneas de flujo de aire y son las más difíciles de capturar. El mecanismo de captura se debe a la
interceptación, ya que las partículas pueden ser interceptadas por una fibra. Aquí es donde la atracción
electrostática se vuelve importante. Las partículas con carga opuesta son atraídas por una fibra cargada. Este
mecanismo de recogida no favorece un determinado tamaño de partícula en particular, pero es más
significativo para las partículas más difíciles de capturar.

El tamaño de la fibra se vuelve crítico para el mecanismo de captura de interceptación. Si las fibras son del
mismo tamaño o más pequeñas, tienden a ser más efectivas para interceptar las partículas. Esto, junto con
una alta atracción electrostática, conduce a una alta eficiencia de recolección de filtración en los respiradores
y máscaras médicas actuales que responden a las estructuras cargadas por soplado en fusión.

Las máscaras de tela producidas a partir de fibras textiles regulares emplean fibras mucho más grandes, más
de 15 micrones en la mayoría de los casos, carecen de carga electrostática y las estructuras crean grandes
huecos o agujeros. Estos huecos conducen a áreas localizadas que tienen una caída de presión mucho menor
y, por lo tanto, la corriente de aire fluirá naturalmente a estas áreas, llevando las partículas de aerosol a
través de la estructura. Estas máscaras casi no ofrecen protección respiratoria. Sin embargo, son útiles para
reducir el número de partículas expulsadas por el usuario, lo que puede dar como resultado la reducción de
la propagación de un virus aunque no ofrezcan mucha protección al usuario. Por lo tanto, las máscaras de
tela son útiles como un medio de control de la fuente para usuarios individuales al reducir el número de
gotas y aerosoles expulsados de la nariz y la boca del usuario al aire(10).

Desafíos durante COVID-19

Los filtros de máscara están hechos casi exclusivamente de materiales no tejidos de polipropileno (PP)
fundidos por soplado (MB) cargados electrostáticamente. Los filtros MB tienen fibras en el rango de 0,5 a 5
micrones de tamaño y, por lo tanto, son frágiles y deben protegerse con capas de PP spunbond (SB)
compuestas de fibras más grandes, de 15 a 25 micrones, que brindan protección mecánica a la capaMB del
filtro.

La cadena de suministro general consta de lo siguiente:
1. Fabricantes de telas MB;
2. Fabricantes de telas SB;
3. Convertidores de máscaras que ensamblan las telas MB y SB en máscaras.

El doble desafío al que se enfrentó en los Estados Unidos y en todo el mundo durante la pandemia de COVID19 fue la producción limitada de tejido de metilbromuro y la falta de infraestructura necesaria para convertir
los tejidos en máscaras.

Las instalaciones de producción de MB y SB siempre se construyen a medida, son grandes y costosas y
requieren una infraestructura significativa. El tiempo de espera para configurar nuevas capacidades suele ser
superior a 10 meses a un costo de más de $ 10 millones para una pequeña máquina de soplado en fusión de
1,6 metros de ancho. Por lo tanto, incluso en las regiones de ingresos altos de América del Norte y la Unión
Europea, las plantas no se podrían desplegar más rápido. En otras regiones del mundo, sería imposible
acelerar rápidamente, y es por eso que debe haber un cambio de paradigma. Por el contrario, la conversión
de máscaras está más disponible, es relativamente económica y no requiere una infraestructura especial.

Las máquinas MB son mucho más caras que la suma de sus componentes. Los conocimientos de ingeniería y,
en algunos casos, la propiedad intelectual, crean barreras de entrada. La fusión por soplado, por ejemplo, es
un proceso bastante simple. La clave de la tecnología es la punta de la matriz que controla la uniformidad de
las fibras producidas. El resto de los componentes están listos para usar. Sin embargo, la industria de los no
tejidos se basa en grandes volúmenes, alta velocidad, bajos costos de producción y automatización. Es por
eso que la industria de los no tejidos continúa liderando el mundo en productividad e innovación.

Lo que se necesita para productos tales como mascarillas y respiradores es una solución diferente. La conversión de la máscara también es un proceso totalmente automatizado, y los requisitos de ancho oscilan
entre 19,5 centímetros (cm) y 32 cm como máximo. Tenga en cuenta que la conversión de máscaras no requiere una infraestructura especial como, por ejemplo, un gran espacio en la bahía. Si se diseñó una
máquina MB que solo tiene, digamos, 40 cm de ancho, el proceso seguirá siendo lo suficientemente rápido como para suministrar muchas máquinas de conversión de máscaras, mientras que los costos serán bajos y no se necesita una infraestructura especial. Tomemos, por ejemplo, la línea piloto de películas de fibra Biax, que mide 15 pulgadas (38 cm) de ancho. Con algunos cambios menores, esto puede convertirse en una
máquina de producción de filtros de supermascarilla que también se puede colocar con el equipo de
conversión de mascarillas. Hay otros ejemplos de líneas de huella más pequeñas que se utilizan
principalmente como líneas piloto. Estos diseños se pueden replicar y reproducir fácilmente según sea
necesario.

Gran parte de la nueva maquinaria instalada en los Estados Unidos para la producción de máscaras es
para la mascarilla quirúrgica de tres capas, no la máscara N95. (Brian McGowan / Unsplash)

Falta de conocimientos técnicos, disponibilidad de equipos

Otro desafío importante durante la pandemia fue la falta de conocimientos técnicos. Las estructuras fundidas
por soplado requieren aditivos como potenciadores de carga y estabilizadores de carga. Si bien algunos
masterbatches están disponibles comercialmente, algunos funcionan y otros no. Además, aunque la
maquinaria de soplado en fusión está completamente automatizada, la tela resultante se ve afectada por las
variables del proceso y, por lo tanto, se requiere un enfoque de prueba y error para establecer las
condiciones del proceso que conducen a las características de rendimiento deseadas. Si bien había empresas
en América del Norte que producían otros productos fundidos por soplado, cambiar a medios filtrantes no
fue una tarea sencilla.

Otro desafío al que se enfrentó en América del Norte fue que nadie estaba produciendo maquinaria de
conversión de mascarillas antes de la pandemia. Esto no se debió a una falta de experiencia o capacidades,
sino más bien impulsado por la simple economía. Las máquinas fabricadas en Asia se vendieron por tan solo
$ 30,000 hasta $ 120,000 y podrían entregarse en unas pocas semanas. El costo de los componentes en
América del Norte sería más alto que el del producto terminado y dado que las máquinas tienen un aspecto
similar y funcionan de manera similar, la tendencia ha sido inclinarse hacia la maquinaria de fabricación
asiática. La falta de soporte técnico, un suministro inadecuado de piezas y la falta de fiabilidad de la
maquinaria, a menudo provocaban retrasos y costes de producción mucho más elevados.

Unos dieciséis meses después, la situación ha cambiado. Hay algunas instalaciones nuevas para la fusión por
soplado y, según la Asociación de la Industria de Tejidos No Tejidos (INDA) con sede en Cary, Carolina del
Norte, hay más de 70 empresas que han invertido en equipos de conversión de mascarillas desde el
comienzo de la pandemia. Sin embargo, gran parte de la nueva maquinaria está destinada a la producción de
la clásica mascarilla quirúrgica de tres capas. Con las mascarillas quirúrgicas asiáticas baratas inundando el
mercado durante los últimos seis meses, es cuestionable si muchas de las empresas que realizaron
inversiones podrán competir. Esto, a su vez, generará desafíos para la capacidad de MB instalada.

Hay muchas menos máquinas N95 instaladas. Además, las mascarillas médicas y los respiradores están
regulados por el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional (NIOSH), la Administración de Drogas y
Alimentos de los EE. UU. (FDA) y la Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA), y otra barrera
para ingresar al mercado actual es el largo plazo de entrega requerido para la certificación. Muchas empresas
han estado esperando la certificación durante muchos meses y la cola no se está acortando. La certificación
también requiere el desarrollo de un sistema de gestión de la calidad, como la certificación de la
Organización Internacional de Normalización (ISO) o las buenas prácticas de fabricación (GMP), barreras
adicionales para la entrada al mercado.

¿Qué pasa con la próxima pandemia?

No se trata de si ocurre otra pandemia mundial, sino de cuándo. En ausencia de políticas que fomenten la
fabricación nacional de PPE y otros productos críticos, la situación de escasez en los Estados Unidos
probablemente no será diferente. En ausencia de una manufactura democratizada, los países de bajos
ingresos seguirán estando en desventaja.

El status quo de la fabricación de PPE no está lo suficientemente avanzado como para proteger
definitivamente a Estados Unidos del próximo brote viral. Otras innovaciones de fabricación son el camino a
seguir hacia una protección más fiable, asequible y adaptable. Las mascarillas de tela no serán la solución y
se regularán quizás usando la nueva ASTM 3502 o su equivalente.

Nonwovens Institute, Raleigh, N.C., y sus socios están desarrollando estrategias de fabricación y programas
educativos para ayudar a establecer estándares mínimos definitivos para la fabricación que serían escalables
y fácilmente reproducibles.

Referencias:
1 Flügge, C. Ueber Luftinfection. Zeitschr. F. Higiene. 25, 179–224 (1897).
https://doi.org/10.1007/BF02220473
2 C. Flügge, La propagación de la tisis a través de esputo polvoriento y a través de gotitas que se rocían al
toser, Journal of Hygiene and Infectious Diseases volumen 30, páginas 107 – 124 (1899)
3 JG McCulloch, La historia del desarrollo de la tecnología de soplado en fusión International Nonwovens
Journal, 1999
4 Wente, V.A. , Laboratorio de Investigaciones Navales, Informe 4364, Fabricación de Fibras Superfinas. 25 de
mayo de 1954.
5 Patente de Estados Unidos 3.333.585
6 Patente de Estados Unidos 3.971.373A
7 Patente de Estados Unidos 4.215.682A
8 Patente de Estados Unidos 4.536.440A
9 Pourdeyhimi, Schick y Groten, The Filtration Efficiency of Single-Layer Textiles for Respiratory protection,
The Journal of Science and Medicine, Vol 3 No 2 (2021)
10 Pourdeyhimi, Schick y Groten, Efectividad respiratoria de las máscaras de tela, The Journal of Science and
Medicine, Vol 2 No 4 (2021).

Nota del editor: el Dr. Behnam Pourdeyhimi es decano asociado de Investigación y Extensión de la Industria,
Profesor Distinguido de Materiales William A. Klopman, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular e
Ingeniería Biomédica, y director ejecutivo, The Nonwovens Institute (NWI), Wilson College of Textiles ,
Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh, NC; Simon Schick era un estudiante de maestría en NWI y
NC State; y Robert Groten es profesor de la Universidad de Ciencias Aplicadas Hochschule Niederrhein, con
sede en Alemania, y profesor adjunto en NC State.

Julio / agosto 2021