Nanotechnologie-fähige persönliche Schutzausrüstung

Zusammenfassung

Im weltweiten Kampf gegen das schwere akute respiratorische Syndrom-CoV-2 ist jeder Einzelne betroffen. Die Menschen sind aufgefordert, sich und andere zu schützen. Dieser Kampf ist für die Frontlinie und insbesondere für das Gesundheitspersonal weitaus schwerwiegender. In dieser Hinsicht ist die Rolle der persönlichen Schutzausrüstung in diesem Kampf von wesentlicher Bedeutung. Nanotechnologische Lösungen stehen für einen innovativen Ansatz in der Medizin. Es wird berichtet, dass Nanomaterialien einige einzigartige Eigenschaften wie geringe Größe besitzen; verbesserte Löslichkeit; Anpassungsfähigkeit der Oberfläche; Multifunktionalität, antivirale/antibakterielle Aktivität, Hydrophobie usw. All dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung innovativer nanofähiger Stoffe und Textilien, die einen erhöhten persönlichen Schutz bieten. Darüber hinaus könnte die Anwendung von auf Nanotechnologie basierenden Oberflächenbeschichtungen, Medikamenten und Impfstoffen eine der möglichen Lösungen sein, um die weltweite Ausbreitung schwerer Viruserkrankungen einzudämmen.

Schlüsselwörter/Sätze: Nanofähige PSA, SARS-CoV-2, Gesichtsmasken, Nanomaterialien, Virusübertragungswege.

1. Einleitung: SARS-Cov-2 – der Infektionserreger der neuartigen Krankheit COVID-19

Im Winter 2019 wurde im chinesischen Wuhan eine neue Viruserkrankung entdeckt. Der Ausbruch dieser neuen und unbekannten Krankheit zwang die Wissenschaftler, sofort ihre Epidemiologie und Ätiologie zu klären und Maßnahmen zu ihrer Bekämpfung zu ergreifen. Die Symptome, die der neue virale Wirkstoff bei infizierten Menschen verursacht, wurden als Fieber, trockener Husten, Unwohlsein, seltene Fälle von Durchfall, Lymphopenie und beidseitige Milchglastrübung beschrieben [9, 22]. Es wurde berichtet, dass diese Symptome denen sehr ähnlich sind, die durch zuvor bekannte pathogene Coronaviren verursacht werden: SARS-CoV und MERS-CoV [58]. Diese beiden Beta-Coronaviren wurden in den letzten 20 Jahren als Erreger von zwei Virusausbrüchen gemeldet: Severe Acute Respiratory Syndrome-Coronavirus (SARS-CoV) – im Jahr 2002 in der Provinz Guangdong, China [67] und das Middle East Respiratory Syndrome-Coronavirus (MERS-CoV) – im Jahr 2012 im Nahen Osten [64].

Die Studien des neuen viralen Wirkstoffs haben mit dem Auftreten der ersten Fälle in China begonnen. Die damals wichtigste Frage war, wie dieses neue Virus entstanden ist. Es wurden jedoch zwei gegensätzliche Theorien vorgeschlagen. Die vielleicht häufigste Version für den Ursprung der neuen Krankheit ist, dass sie vom Großhandelsmarkt für Meeresfrüchte und Feuchttiere in Wuhan, Provinz Hubei, China, stammt [45]. Die Aussagen anderer Autoren stellen die Annahmen in Frage, dass der Großhandel für Meeresfrüchte und Tiere die einzige Quelle der neu entdeckten Krankheit ist, und bringen Licht in den Hauptweg der Krankheitsübertragung: von Mensch zu Mensch [9, 22].

Die phylogenetischen Analysen der Genome des neuartigen Coronavirus und anderer Beta-Coronaviren zeigten weniger als 90 % Identität, und demnach wurde der neue Erreger der viralen Lungenentzündung als neuartiges Beta-Coronavirus bezeichnet und 2019-nCoV genannt. Die durch diesen viralen Erreger verursachte Krankheit wurde zunächst als „novel coronavirus – infizierte pneumoniae“ (NCIP) bezeichnet [68]. Die Studien des neu entdeckten Coronavirus schritten zusammen mit seiner Ausbreitung auf der ganzen Welt voran und infizierten Millionen von Menschen. Basierend auf den erhaltenen Informationen hat die Coronavirus Study Group (CGS) des International Committee on Virus Taxonomy (ICTV) Anfang Februar 2020 den neu isolierten Infektionserreger als SARS-CoV-2 bekannt gegeben [19]. Gleichzeitig benannte die Weltgesundheitsorganisation (WHO) die durch dieses CoV verursachte Krankheit als COVID-19 (CO kommt von „corona“, VI kommt von „virus“ und D kommt von „disease“), und zwar einen Monat später , am 11. März 2020 – der Ausbruch von SARS-CoV-2 als weltweite Pandemie [59].

2. Die Ausbreitung von SARS-CoV-2 und der Bedarf an persönlicher Schutzausrüstung

2.1. Persistenz in verschiedenen Umweltnischen

Die globale und schnelle Ausbreitung des SARS-CoV-2 in den letzten 2 Jahren führte zu einer Zunahme von Studien, die darauf abzielten, die Vielfalt der Umweltnischen zu charakterisieren und zu bestimmen, in denen sich das Virus präsentieren und fortbestehen könnte. Dieses Wissen ist grundlegend, um einerseits die Wege der Virusübertragung zu erkennen und andererseits wirksame und zuverlässige Strategien zur Krankheitsbekämpfung zu entwickeln.

Das Vorhandensein von COVID-19-Infektionserregern oder seines genetischen Materials in der Wasserumgebung wurde in einer Vielzahl von Studien berichtet, was aufgrund des ungehinderten Zugangs infizierter Personen zu Umweltwasserressourcen als erwartet angegeben wurde. Zusammenfassungen der Daten einiger Studien haben das Vorhandensein von viraler RNA/viraler intakter Partikel in verschiedenen klinischen Proben wie Urin, Sputum, Krankenhausstuhl und anderen berichtet, obwohl die nasopharyngealen Proben solcher Patienten einige Tage später negativ waren. Nach Ansicht des Forschungsteams könnte dies letztendlich zu einem Anstieg der Virustiter im Krankenhausabwasser führen [1]. Das Vorhandensein von SARS-CoV-2 in Abwasserproben wurde jedoch auch in Aerosolen aus Abwasser in Kraftwerkspumpstationen während Behandlungsaktivitäten nachgewiesen [17, 65]. Die Persistenzdauer des Infektionserregers in Wasser und Abwasser wird je nach Umweltfaktoren mit 4,5 bis 6 Tagen angegeben [18].

Auch über andere Quellen lebensfähiger Viruspartikel wurde berichtet: Luftproben unterschiedlicher Herkunft [28, 29], Lebensmittelproben [12] und Leitungswasserproben [7, 30]. Der Boden ist als Depot von SARS-CoV-2 vielleicht die am wenigsten untersuchte Umweltnische. Es wurde jedoch über das Vorhandensein viraler RNA in Bodenproben berichtet, die in der Nähe von Krankenhäusern gesammelt wurden, in denen mit SARS-CoV-2 infizierte Patienten zur Behandlung aufgenommen wurden [66].

2.2. Anwesenheit und Persistenz von infektiösen Viren, einschließlich SARS-CoV-2, auf verschiedenen unbelebten Oberflächen

Die Ausbreitung von SARS-CoV-2 in verschiedenen Umweltnischen ist eine zentrale Voraussetzung für die einfache und schnelle Ansteckung vieler Menschen gleichzeitig. Der Übertragungsweg von Mensch zu Mensch gilt als einer der invasivsten [9].

Allerdings ist auch die Vermutung der Selbstinfektion nach Kontakt mit viruskontaminierten trockenen Oberflächen zu beachten. Dieser alternative Übertragungsweg wurde bereits lange vor der COVID-19-Pandemie für andere Virustypen vorgeschlagen [32]. In einer im Jahr 2000 veröffentlichten Studie haben Sizun et al. das Überleben von zwei Stämmen des humanen Coronavirus (HCoV) auf verschiedenen Oberflächen verglichen und festgestellt, dass sie einige Stunden auf Aluminium, Latexhandschuhen und Baumwollschwämmen bestehen können [48]. Die potenziellen Übertragungsquellen verschiedener nosokomialer Viren (SARS, Coxsackie, Influenza, Rhinoviren usw.) durch Kontamination verschiedener Oberflächen wurden ebenfalls zusammengefasst und es wurde der Schluss gezogen, dass sie in der Lage sind, einige Tage darauf zu persistieren [27]. Eine ähnliche Untersuchung, die das Potenzial des aviären Metapneumovirus und des aviären Influenzavirus aufzeigt, auf verschiedenen Feststoffen zu überleben, wurde ebenfalls veröffentlicht. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass lebensfähige Viruspartikel nach Kontamination des Feststoffs bis zum 9. Tag von nichtporösen Oberflächen isoliert werden konnten [53]. Das Potenzial des Influenzavirus (H1N1), seine Lebensfähigkeit auf Edelstahlfeststoffen zu erhalten, wurde untersucht und die Ergebnisse zeigten, dass es nach 7 Tagen nachgewiesen werden konnte [40]. Daten über die Stabilität der Coronaviren, die in den letzten zwei Jahrzehnten für zwei Virusausbrüche verantwortlich waren (SARS-Co-V und MERS-CoV), auf verschiedenen Oberflächen wurden ebenfalls veröffentlicht. Die Ergebnisse wiesen darauf hin, dass die Viren 9 Tage auf Festkörpern wie Metallen, Glas oder Kunststoff persistieren konnten [13, 25, 37].

Der Ausbruch von SARS-CoV-2 zwang die Wissenschaftler, sofort das Potenzial des Virus zu untersuchen, auf verschiedenen Oberflächen, die als Infektionsquelle dienen könnten, zu verbleiben und zu persistieren. Ein solches Potenzial wurde aufgrund der Ähnlichkeit von SARS-CoV-2 mit den zuvor beschriebenen pathogenen Coronaviren vermutet. Es wurden Daten über die Virusstabilität auf vier verschiedenen unbelebten Oberflächen berichtet [55]. So wurde die Überlebensfähigkeit von SARS-CoV-2 auf Edelstahl, Kupfer, Kunststoff und Pappe aufgezeigt. Ein weiterer möglicher Übertragungsweg von SARS-Co-V wurde von Ren und Tang vorgeschlagen – durch Münzen und Banknoten [44]. Zu diesem Zeitpunkt waren keine experimentellen Daten über das Potenzial des Virus, auf Banknotenpapier stabil zu bleiben, veröffentlicht worden. Solche Hypothesen basieren auf den Ergebnissen von Studien zur SARS-CoV-2-Stabilität auf Drucker- und Seidenpapier [55]. In einer kürzlich durchgeführten Studie wurden Daten über Banknoten als Reservoir lebensfähiger Viruspartikel veröffentlicht. Sie zeigten, dass nach 24 h bei Raumtemperatur keine lebensfähigen Viruspartikel auf Banknoten nachgewiesen wurden. Es wurde jedoch von einer größeren Stabilität des Virus auf Bankkarten berichtet, da lebensfähige Viruspartikel nach 48 h nachgewiesen wurden [35].

Die langfristige Lebensfähigkeit der pathogenen Viren, einschließlich SARS-CoV-2, auf verschiedenen Feststoffen, Bankkarten und anderen inerten Oberflächen und ihre hohe Übertragungsrate durch Aerosole, von Mensch zu Mensch und auf anderen bekannten Wegen führen zu zwei wichtige Fragen: i) wie sich ein Einzelner vor diesen Viren schützen könnte und ii) wie die Massenverbreitung der Viren begrenzt werden kann.

Der Einsatz verschiedener Desinfektionsmittel und der Einsatz von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) gehören zu den möglichen Lösungen.

2.3. Persönliche Schutzausrüstung – die Empfehlungen der WHO

Persönliche Schutzausrüstung gilt als letzte Linie der persönlichen Verteidigung [15]. Das grundlegende Konzept der Verwendung von PSA hat zwei Hauptaspekte:

• um den Einzelnen während der Arbeit vor verschiedenen Risikofaktoren zu schützen;
• um andere Menschen vor Infektionen zu schützen, die durch Lufttröpfchen übertragen werden.

Angesichts der COVID-19-Pandemie stieg der Bedarf darüber, wie die Ausbreitung des Viruserregers eingedämmt und die Zahl der Infizierten reduziert werden kann. Wie oben erwähnt, könnte der Erreger von COVID-19 und anderen nosokomialen Viren, einschließlich SARS-CoV und MERS-CoV, auf verschiedenen Wegen übertragen werden: von Mensch zu Mensch, durch Speicheltröpfchen (Abb. 1), durch Berührung viral kontaminierte Oberflächen usw.

Abbildung 1. Übertragung von SARS-CoV 2 über Speicheltröpfchen.

Aufgrund dieser Vielzahl von Übertragungswegen war die WHO gezwungen, am 27. Februar 2020, unmittelbar nach dem Auftreten der ersten Fälle von SARS-CoV , eine Interim Guidance – Rational use of personal protection equipment for coronavirus disease 2019 (COVID-19) zu veröffentlichen. 2 Infizierte. Die Rolle dieser Anleitung bestand darin, der Gemeinschaft tatsächliche und spezifische Empfehlungen für den persönlichen und sozialen Schutz zu geben, insbesondere für die rationelle Verwendung von PSA. Zu den spezifischen Empfehlungen in den Leitlinien gehörten die folgenden [60]:

• häufige Händehygiene mit einem Händedesinfektionsmittel auf Alkoholbasis, wenn die Hände nicht sichtbar schmutzig sind, oder mit Wasser und Seife, wenn die Hände schmutzig sind;
• Vermeiden Sie es, Augen, Nase und Mund zu berühren;
• Atemhygiene durch Husten oder Niesen in einen gebeugten Ellbogen oder ein Taschentuch und anschließendes sofortiges Entsorgen des Taschentuchs;
• Tragen einer medizinischen Maske bei Atembeschwerden und Händehygiene nach dem Entsorgen der Maske;
• Halten Sie soziale Distanz (mindestens 1 m) ein und halten Sie sich von Personen mit Atemwegssymptomen fern.

Je nach Einstellung, Personal und Art der Tätigkeit hat die WHO weitere Arten von PSA aufgeführt, die für die Verwendung und Anwendung empfohlen werden (Tabelle 1) [60]:

Tabelle 1. Liste der von der WHO empfohlenen PSA.

Einstellung	Zielpersonal oder Patienten	Aktivität	Art der PSA
Gesundheitszentrum
Stationäre Einrichtungen
Patientenzimmer	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Direkte Versorgung von COVID-19-Patienten.	Medizinische Maske Kleid Handschuhe Augenschutz (Brille oder Gesichtsschutz).
		Aerosolerzeugende Verfahren, die an COVID-19-Patienten durchgeführt werden.	Aerosolerzeugende Verfahren, die an COVID-19-Patienten durchgeführt werden.
	Reiniger	Betreten des Zimmers eines COVID-19-Patienten	Medizinische Maske Kleid Handschuhe
	Besucher	Betreten des Zimmers eines COVID-19-Patienten	Medizinische Maske Kleid Handschuhe
Andere Bereiche des Patientendurchgangs (z. B. Stationen, Korridore).	Alle Mitarbeiter, einschließlich des medizinischen Personals.	Jede Aktivität, die keinen Kontakt mit COVID-19-Patienten beinhaltet.	Keine PSA erforderlich
Triage	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Voruntersuchung ohne direkten Kontakt	Keine PSA erforderlich
	Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Irgendein	Halten Sie einen räumlichen Abstand von mindestens 1 m ein. Stellen Sie eine medizinische Maske bereit, wenn vom Patienten toleriert.
	Patienten ohne respiratorische Symptome.	Irgendein	Keine PSA erforderlich
Labor	Labortechniker	Manipulation von Atemwegsproben.	Medizinische Maske Kleid Handschuhe Augenschutz (bei Spritzgefahr)
Verwaltungsbereiche	Целия персонал на болницата, включително лекарите	Alle Mitarbeiter, einschließlich des medizinischen Personals.	Keine PSA erforderlich
Ambulante Einrichtungen
Beratungsraum	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Körperliche Untersuchung des Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Medizinische Maske Kleid Handschuhe Augenschutz
	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Körperliche Untersuchung von Patienten ohne respiratorische Symptome.	PSA gemäß Standardvorkehrungen und Risikobewertung.
	Patienten mit respiratorischen Symptomen	Irgendein	Bei Verträglichkeit medizinische Maske bereitstellen.
	Patienten ohne respiratorische Symptome.	Irgendein	Keine PSA erforderlich
	Reiniger	Nach und zwischen Konsultationen mit Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Medizinische Maske Kleid Robuste Handschuhe Augenschutz (bei Spritzgefahr durch organisches Material oder Chemikalien). Stiefel oder geschlossene Arbeitsschuhe
Wartezimmer	Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Irgendein	Bei Verträglichkeit medizinische Maske bereitstellen.
	Patienten ohne respiratorische Symptome.	Irgendein	Keine PSA erforderlich
Verwaltungsbereiche	Alle Mitarbeiter, einschließlich des medizinischen Personals.	Verwaltungsaufgaben	Keine PSA erforderlich
Triage	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Първични прегледи, които не изискват директен контакт	Keine PSA erforderlich
	Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Irgendein	Bei Verträglichkeit medizinische Maske bereitstellen.
	Patienten ohne respiratorische Symptome.	Irgendein	Keine PSA erforderlich
Gemeinschaft
Heim	Patienten mit respiratorischen Symptomen.	Irgendein	Bei Verträglichkeit medizinische Maske bereitstellen, außer wenn Schlafen.
	Betreuer	Betreten des Patientenzimmers, aber keine direkte Pflege oder Unterstützung.	Medizinische Maske
	Betreuer	Direktversorgung oder beim Umgang mit Stuhl, Urin oder Abfall von COVID-19-Patienten zu Hause betreut werden.	Handschuhe Medizinische Maske Schürze (bei Spritzgefahr)
	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Direkte Pflege oder Unterstützung eines COVID-19-Patienten zu Hause	Medizinische Maske Kleid Handschuhe Augenschutz
Öffentliche Bereiche (z. B. Schulen, Einkaufszentren, Bahnhöfe).	Personen ohne respiratorische Symptome	Irgendein	Keine PSA erforderlich
Einstiegspunkte
Verwaltungsbereiche	Alle Mitarbeiter	Irgendein	Keine PSA erforderlich
Screening-Bereich	Mitarbeiter	Erstes Screening (Temperaturmessung) nicht mit einbeziehend direkten Kontakt	Keine PSA erforderlich
	Mitarbeiter	Zweites Screening (d. h. Befragung von Passagieren mit Fieber auf klinische Symptome, die auf COVID-19 hindeuten Krankheit und Reisegeschichte).	Medizinische Maske Handschuhe
	Reiniger	Reinigung des Bereichs, in dem Passagiere mit Fieber untersucht werden.	Medizinisches Maskenkleid Robuste Handschuhe Augenschutz (bei Spritzgefahr durch organisches Material oder Chemikalien). Stiefel oder geschlossene Arbeitsschuhe
Temporärer Isolationsbereich	Mitarbeiter	Betreten des Isolationsbereichs, aber keine direkte Hilfeleistung.	Halten Sie einen räumlichen Abstand von mindestens 1 m ein. Medizinische Maske Handschuhe
	Personal, medizinisches Personal	Unterstützung des Passagiers beim Transport zu einer Gesundheitseinrichtung.	Medizinische Maske Kleid Handschuhe Augenschutz
	Reiniger	Isolationsbereich reinigen	Medizinische Maske Kleid Robuste Handschuhe Augenschutz (bei Spritzgefahr durch organisches Material oder Chemikalien). Stiefel oder geschlossene Arbeitsschuhe
Krankenwagen oder Transferfahrzeug	Mitarbeiter des Gesundheitswesens	Transport von COVID-19-Verdachtspatienten zur überweisenden Gesundheitseinrichtung.	Medizinische Maske Kleider Handschuhe Augenschutz
	Treiber	Der Patient mit Verdacht auf eine COVID-19-Erkrankung ist nur am Fahren beteiligt und der Fahrerraum ist vom Fahrerhaus getrennt COVID-19-Patient.	Keine PSA erforderlich
		Unterstützung beim Be- oder Entladen von Patienten mit Verdacht auf eine COVID-19-Erkrankung.	Augenschutz
		Kein direkter Kontakt mit Patienten mit Verdacht auf COVID-19, aber keine Trennung zwischen Fahrer und Patient Fächer.	Medizinische Maske
	Patient mit Verdacht auf COVID-19-Erkrankung.	Transport zur überweisenden Gesundheitseinrichtung.	Bei Verträglichkeit medizinische Maske
	Reiniger	Reinigung nach und zwischen dem Transport von Patienten mit Verdacht auf eine COVID-19-Erkrankung in die überweisende Gesundheitseinrichtung.	Medizinische Maske Kleid Robuste Handschuhe Augenschutz (bei Spritzgefahr durch organisches Material oder Chemikalien). Stiefel oder geschlossene Arbeitsschuhe
Besondere Erwägungen für Notfallteams, die bei Untersuchungen im Bereich der öffentlichen Gesundheit behilflich sind
Gemeinschaft
Irgendwo	Ermittler des Rapid Response Teams.	Befragen Sie mutmaßliche oder bestätigte COVID-19-Patienten oder ihre Kontakte.	Keine PSA, wenn dies aus der Ferne erfolgt (z. B. per Telefon oder Videokonferenz). Remote-Interview ist die bevorzugte Methode.
		Persönliche Befragung von mutmaßlichen oder bestätigten COVID-19-Patienten ohne direkten Kontakt	Medizinische Maske
		Persönliches Interview mit asymptomatischen Kontakten von COVID-19-Patienten.	Keine PSA erforderlich

Quelle: Interim guidance WHO, 2020 [60]

Wie ein herkömmliches PSA-Kit aussieht, ist in Abb. 2 dargestellt. Jede Komponente des Kits hat ihre spezifische Funktion im Gesamtschutz. Die Verbindungen zwischen dem Zielschutzbereich und einer bestimmten PSA-Komponente sind wie folgt:

• Ganzkörper – Overall, Schürzen und Schuhgamaschen;
• Augen – Gesichtsschutz, Schutzbrille;
• Nase und Mund – Gesichtsmaske;
• Hände – Handschuhe;
• Kopf – Haubenkappe.

Die wichtigsten Körperbereiche, die vollständig geschützt werden müssen, sind Augen, Nase und Mund, da dies die Haupteintrittspunkte für nosokomiale und luftübertragene Viren sind, die in den menschlichen Körper eindringen, einschließlich SARS-CoV-2.

Abbildung 2. Die Komponenten eines Standard-PSA-Kits.

3. Der Beitrag der Nanotechnologie im globalen Kampf gegen die neue Coronavirus-Krankheit

3.1. Der breite Begriff der Nanotechnologie

Virusinfektionen und -krankheiten sind aus verschiedenen Gründen schwer zu bekämpfen, darunter die schnellen Virusmutationen und das anschließende Auftreten neuer Varianten und Stämme. Das Fehlen einer zuverlässigen Behandlung forderte die Wissenschaftler heraus, neue Medikamente zu entwickeln, die gegen eine Vielzahl von Viren wirksam sein könnten [24]. Die Einschränkung dieses Ansatzes besteht darin, dass es lange dauert, bis die neu entwickelten Medikamente als wirksam und sicher in der Anwendung erklärt werden [10]. Daher wurde die Aufmerksamkeit auf die Prävention und Erfindung alternativer Ansätze gerichtet, die darauf ausgelegt sind, in einem anderen Stadium des viralen Lebenszyklus zu wirken und folglich die Ausbreitung und Entwicklung von Virusinfektionen effizient zu beeinflussen [33]. In diesem Zusammenhang ist genau hier der Ort, um die Rolle der Nanotechnologie als vielversprechenden Ansatz zur Bekämpfung von Viruserkrankungen hervorzuheben.

Das Grundkonzept des Wissenschaftszweiges der Nanotechnologie hat der Nobelpreisträger für Physik, Richard P. Feynman, in seinem Vortrag „There’s plenty of room at the bottom“ 1959 während einer Tagung der American Physical Society [16] dargelegt. Im Allgemeinen kann Nanotechnologie definiert werden als „Design und Anwendung mehrerer Materialien und Geräte, bei denen mindestens eine Dimension kleiner als 100 Nanometer ist“ [8]. Die Entwicklung der Nanotechnologie verläuft bekanntermaßen in drei grundlegende Richtungen [46]: Nanomaterialien, Nanogeräte und Nanosysteme.

Die Richtung in Bezug auf die Entwicklung und Erfindung von Nanomaterialien entwickelt sich derzeit vielleicht am stärksten. Um das Konzept der Nanotechnologie und der damit verbundenen Nanopartikel vollständig zu verstehen, ist es wichtig, die Bedeutung des Begriffs „Nano“ zu klären. Es besteht aus einem Milliardstel Teil (10-9) eines Meters, dh ein Meter hat eine Milliarde Nanometer. Die Größe von Nanopartikeln (NPs) lässt sich leicht im Vergleich zu verschiedenen Biomolekülen und anderen größeren Dingen wie beispielsweise einem Tennisball erklären (Abb. 3). Es ist offensichtlich, dass die Größe einer Krebszelle 100- bis 1000-mal größer ist als die Größe eines Nanopartikels. Die Größe von Viruspartikeln (einschließlich SARS-CoV-2) entspricht in etwa der von Nanopartikeln.

Abbildung 3. Nanopartikel und ihre Größe

Es gibt mehrere Gründe, warum Nanopartikel ausführlich untersucht werden sollten. In dieser Hinsicht könnten einige ihrer wichtigsten Eigenschaften wie folgt definiert werden [8]:

• kleine Größe;
• verbesserte Löslichkeit;
• Anpassungsfähigkeit der Oberfläche;
• Multifunktionalität.

Alle oben genannten Eigenschaften der Nanopartikel machen sie anwendbar in der gewebespezifischen Behandlung, personalisierten Medizin, Diagnose und Prävention von viralen und bakteriellen Erkrankungen [49]. Kurz gesagt, die Bereiche, in denen Nanotechnologie nützlich sein kann, sind viel zu vielfältig: Medizin (Arzneimittelentwicklung und -anwendung), Ökologie (Wassersanierung), technische Anwendungen (Informations- und Kommunikationstechnologien) und so weiter [4].

3.2. Nanotechnologie im Lichte von COVID-19

Nach Campus et al. [8] konnte das große Potenzial der Nanotechnologie im weltweiten Kampf gegen SARS-CoV-2 durch fünf Hauptansätze realisiert werden (Abb. 4):

1. Entwicklung nanofähiger PSA;
2. Entwicklung von antiviralen Desinfektionsmitteln und Oberflächenbeschichtungen auf Nanobasis, die in der Lage sind, die Viruspartikel zu fangen und zu zerstören und so die Ausbreitung zu stoppen;
3. die Erfindung von Nanosensoren mit hoher Spezifität, die für die schnelle Identifizierung von Viren und die Erkennung einer immunologischen Reaktion im menschlichen Körper entwickelt wurden;
4. Entwicklung nanobasierter Medikamente zur gezielten Therapie, beispielsweise direkt in der betroffenen Lunge. Arzneimitteln auf Nanobasis wird eine erhöhte Wirksamkeit, verringerte Toxizität und verzögerte Freisetzung zugeschrieben;
5. die Erfindung nanobasierter Impfstoffe

Der dringende Bedarf an einer wirksamen Behandlung von Virusinfektionen zwang Wissenschaftler, verschiedene natürliche Wirkstoffquellen wie Pflanzenextrakte zu untersuchen [5]. Die Effizienz der meisten von ihnen wurde jedoch aufgrund ihrer schlechten Wasserlöslichkeit, ihres geringen Ertrags, ihrer schwierigen Pflanzenzüchtung usw. als schwach angesehen. Es wird davon ausgegangen, dass sie zur Steigerung der therapeutischen Wirkung der Pflanzenstoffe mit Materialien auf Nanobasis kombiniert werden sollten [41].

Die Entwicklung von Impfstoffen der neuen Generation auf Basis von Nanopartikeln ist ein weiterer vielversprechender Ansatz. Diesen innovativen Impfstoffen wurden einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Impfstoffen zugeschrieben, wie z. B. eine erhöhte Antigenabgabe und eine stimulierte Immunantwort [2].

Abbildung 4. Anwendungsfelder der Nanotechnologie.

Mehrere Studien haben über die Anwendung von Nanopartikeln in Oberflächenbelägen zum Schutz vor viralen und bakteriellen Infektionen über einen selbstkontaminierenden Weg berichtet [26, 36]. Ein solches innovatives Produkt wurde von Sisson und Hackemeyer entwickelt und hatte das Potenzial, auf öffentlichen Oberflächen mit einem hohen Risiko einer Viruskontamination angewendet zu werden: Aufzugsknöpfe, Türgriffe usw. Das Produkt mit dem Namen NanoTouch ist eine mineralische Beschichtung auf Nanokristallbasis, die durch aktiviert wird Licht (Abb. 5). Die Erfinder haben die Wirksamkeit des Produkts gegen verschiedene Viren nachgewiesen, darunter SARS-CoV-2 [51].

Abbildung 5. Selbstreinigende Oberflächenbeschichtung auf Nanobasis, erfunden von NanoTouch/nanoSeptic

Das Konzept der nanobasierten Oberflächenbeschichtungsstrategie im Kampf gegen pathogene Mikroorganismen ist jedoch eng mit der Strategie nanobasierter Technologien zur Desinfektion und Hygiene verbunden. Die Informationen über solche nanobasierten Desinfektionsmittel, die künstliche Wassernanostrukturen enthalten, wurden berichtet [56]. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass das angewendete Desinfektionsmittel die Menge der pathogenen Mikroorganismen nach der Anwendung erheblich reduziert hat. Ein weiterer Vorteil war, dass die für eine wirksame Desinfektion benötigte Wirkstoffmenge äußerst gering war.

Während des Ausbruchs von COVID-19 wurde in Mailand ein handelsübliches Desinfektionsmittel auf Nanobasis zur Gebäudedesinfektion verwendet. Die Formulierung des Produkts basiert auf Ag- und TiO2-Nanopartikeln und wurde vom italienischen Nanotechnologieunternehmen Nanotech Surface entwickelt. Der Manager des Unternehmens behauptete, dass die innovative Formulierung der behandelten Oberfläche bis zu zwei Jahre lang eine „Selbstreinigungs“-Fähigkeit verleiht [52].

Wie alle neuen Ansätze in der Gesundheitsversorgung, Behandlung und Prävention müssen die nanobasierten Produkte vor ihrer Anwendung auf Gemeinschaftsebene für sicher und wirksam erklärt werden. In dieser Hinsicht müssen die industriellen Nanobiotechnologie-Unternehmen solide Antworten auf einige ernste Fragen geben, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Nanoprodukten, ihren Preis, die gesetzliche Regulierung usw. betreffen [8].

4. Nanotechnologie-fähige PSA

Die einfache, schnelle und weltweite Übertragung des krankheitserregenden Coronavirus SARS-CoV-2 fordert jeden Einzelnen in seinem Kampf gegen den viralen Erreger heraus. In der Situation der globalen Pandemie sind zwei der wichtigsten Fragen: Wie die Ausbreitung des Virus gestoppt oder zumindest begrenzt werden könnte und wie sich die Menschen vor der Infektion schützen können. Der tägliche Gebrauch von persönlichen Gesichtsmasken und Handschuhen auf der ganzen Welt ist selbst in offenen Räumen, in denen das Infektionsrisiko extrem hoch ist, zur Normalität geworden. Wie jedoch oben erwähnt (Tabelle 1), kann die von der WHO empfohlene Art der PSA aufgrund der aktuellen Situation und der bestehenden Risikorate unterschiedlich sein.

Qualität und Wirksamkeit herkömmlicher PSA sind dabei zu einem zentralen Thema geworden. Beispielsweise zeigen viele Studien und Berichte die negativen Auswirkungen der langfristigen Verwendung von Gesichtsmasken. Einige der häufigsten Beschwerden betreffen die Zunahme von Hautschäden im Gesichtsmaskenbereich [14]. Es wurde über zusätzliche Einschränkungen beim längeren Tragen einer herkömmlichen Gesichtsmaske berichtet, wie z. B. unzuverlässige Schutzfähigkeit und Tragebeschwerden [43]. Es wird berichtet, dass traditionelle Gesichtsmasken aus einem Material hergestellt werden, das die Viruspartikel nicht daran hindert, Mund und Nase zu erreichen. Der Grund liegt in der Größe der Poren in der Maske (10-30 µm) und dem Abstand zwischen den Textilfasern, die zu groß sind, um das Eindringen des 100 nm langen Viruspartikels zu verhindern. Beispielsweise bieten herkömmliche Masken, die von medizinischem Personal (Chirurgen, Krankenschwestern, medizinisches Personal usw.) verwendet werden, keinen ausreichenden Schutz und die Partikel mit einer Größe von bis zu 80 nm können sie passieren. Die weltweit auf dem Markt verbreiteten Gesichtsmasken N95 und FFP2 schützen vor Partikeln, die größer als 100 nm sind [21]. Dennoch berichten einige Autoren, dass die Atmung kritisch beeinträchtigt wird, wenn die Porengröße und der Abstand zwischen den Strukturfasern verringert werden. Die Folgen einer solchen Situation können sehr schwerwiegend sein, z. B. Anstieg der Körpertemperatur und des Blutdrucks [43].

Die Entwicklung und Konstruktion innovativer Materialien auf Nanobasis kann der Schlüssel zur Überwindung aller oben genannten Einschränkungen der Wirksamkeit und Sicherheit von PSA sein. Mehrere Berichte haben gezeigt, dass PSA, die Nanomaterialien enthalten (Gesichtsmasken, Schürzen usw.), Folgendes bietet [50, 63]:

• besserer Komfort;
• Resistenz gegen Mikroorganismen (bieten Schutz vor Partikeln kleiner als 50 nm [11];
• erhöhte Sicherheit gegenüber verschiedenen Chemikalien;
• Hydrophobie;
• keine negativen Auswirkungen auf Materialien;
• keine negativen Auswirkungen auf die Atmung.

Laut Campos et al. bietet die Anwendung von Nanomaterialien bei der Herstellung von Gesichtsmasken zwei wichtige Vorteile: i) Die Gesichtsmaske wirkt gleichzeitig als Barriere und antimikrobielles Mittel, was zu einer Blockierung und Zerstörung der viralen und bakteriellen Krankheitserreger führt; ii) Verringerung des Risikos einer Selbstinfektion des Trägers während des Entkleidens [8]. Darüber hinaus werden die Viruspartikel nach Kontakt mit der Nanooberfläche der Masken inaktiviert, dh die Verwendung solcher PSA ist umweltverträglich.

Einige der Patente zur Herstellung von PPE-haltigen Nanomaterialien sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2 . Patente für die Herstellung von nano-fähiger PSA.

PSA	Produktname	Anwendung von Nanomaterial	Produktionfirma
Masken
1.	Surgical Masks-ESpin Technologies	Verwendung von Nanofasern zur Partikelentfernung	ESpin Technologies, Inc.-USA
2.	Defenser Series-Respirator masks	Die Gesichtsmaske enthält Nanopartikel aus Silber und Kupfer wirkt als Mischung mit antimikrobieller Aktivität	Nexera Medical-Canada
3.	The Guardian (valve)- reusable	Die Ventilmaske enthält Nanopartikel aus Silber und Kupfer, die als Mischung mit antimikrobieller Aktivität wirken	Nexera Medical-Canada
4.	The Guardian masks- reusable	Die Ventilmaske enthält Nanopartikel aus Silber und Kupfer, die als Mischung mit antimikrobieller Aktivität wirken	Nexera Medical-Canada
5.	MVX Nano Mask	Eine selbstreinigende chirurgische Maske mit Nanopartikeln aus Titan und Silberzeolith	MVX Prime Ltd
Handschuhe
1.	Everyday Protect Gloves L	Ein Produkt mit Silbernanopartikeln und den Wirkstoffen Thiabendazol und Zinkpyrithion	Mapa Spontex- United Kingdom
2.	PADYCARE®	Produkt beschichtet mit Silber-Nanopartikeln mit antibakterieller Wirkung	TEXAMED® GmbH-Germany
3.	Chlorhexidine wash gloves	Ein Produkt, das Silber-Nanopartikel und 2 % Chlorhexidin enthält; Die antibakterielle Wirkung hält noch viele Stunden nach der Anwendung an	GAMA HEALTHCARE LTD.

Quelle: Campos et al., 2020 [8]

Nanomaterialien umfassen jedes Material, das eine „Nano“-Struktur enthält: Nanowhisker, Nanofasern und Nanopartikel.

4.1. Nanowhiskers

Es ist bekannt, dass Hydrophobizität ein wichtiges Merkmal der neu entwickelten Nanomaterialien ist. In der nanokonstruierten PPE wurde die Hydrophobie durch die Verwendung extrem kleiner Kohlenwasserstofffasern, bekannt als Nanowhisker, erreicht (Abb. 6). Die Nanowhisker sind dafür verantwortlich, die Oberflächenspannung des Textilmaterials zu erhöhen und damit dessen Fähigkeit zur Adsorption von Tröpfchen und anderen kleinen Molekülen zu verringern [8].

4.2. Nanofasern

Eine vielversprechende Strategie bei der Herstellung von Gesichtsmasken ist die Anwendung von Nanofasern. Eine solche Innovation wurde von [11] patentiert. Laut dem Autor können „Nanofasern“ verschiedene Arten sein: elektrogesponnen, Protein, Zellulose, bakteriell, anorganisch, Hybrid oder jede geeignete Kombination davon. Der durchschnittliche Durchmesser der Nanofasern kann zwischen 10 – 20 nm bis 400 – 1500 nm variieren. Es wird angenommen, dass die Fähigkeit der Nanofasern, als Barriere für kleine Partikel zu wirken, auf zwei kombinierte Prozesse zurückzuführen ist: i) das Einfangen der kleinen Partikel durch die Nanofasern und ii) die Brown’sche Bewegung der Partikel. Je größer also die Nanofaseroberfläche ist, desto größer wird die Einfang- und Schutzfähigkeit der Nanofaserschicht sein. Das Patent für eine mit Nanofasern beschichtete Gesichtsmaske von Conlon [11] ist in Abb. 7 dargestellt. Die Maske umfasst drei mit 33, 36 und 39 bezeichnete Grundschichten, zwischen denen die drei Grundschichten eingebaut sind. Jede Grundschicht hat ihre eigenen inneren und äußeren Oberflächen.

Abbildung 6. An einer Textilfaser befestigte Nanowhisker.

In der Situation einer globalen Pandemie tragen Menschen jeden Tag und manchmal den ganzen Tag über PSA. Daher ist die Gewährleistung des körperlichen Komforts beim Tragen von PSA ein wesentliches Thema. Das langfristige Tragen herkömmlicher Gesichtsmasken führte zu Beschwerden und Hautirritationen aufgrund der Temperaturerhöhung und Feuchtigkeit auf der Innenseite der Maske. Außerdem sind diese beiden Bedingungen Voraussetzungen für ein erhöhtes mikrobielles Wachstum und damit für ein erhöhtes Gesundheitsrisiko. Häufig hängt das thermische Unbehagen mit der Dicke der Masken zusammen. Yanget al. [62] haben eine Gesichtsmaske entwickelt, die den thermischen Komfort des Trägers gewährleistet. Die Maske besteht aus einer Kombination von Nanofasern, nanoporösem Polyethylen und einer Silberschicht. Die Autoren haben berichtet, dass eine solche innovative Kombination eine hervorragende Kühlwirkung und Schutzfähigkeit hat.

Abbildung 7. Eine Gesichtsmaske mit Nanofaserschichten.

4.3. Nanopartikel

Eine weitere vielversprechende Strategie bei der Herstellung von Gesichtsmasken mit verbesserter Schutzwirkung ist die Anwendung von Nanopartikeln, die in das Textilmaterial eingearbeitet sind. Als Matrix für die Einlagerung von Nanopartikeln können verschiedene Materialien dienen: Baumwolle, Zellulose, Polyamid, Polyester, Polyaramid, Polyurethan etc. [8].

Singhet al. haben das Potenzial eines Nanokompositmaterials untersucht, das in das Material der Gesichtsmaske eingearbeitet ist, um sein antivirales Potenzial zu bestimmen. Das neu konstruierte Nanomaterial bestand aus Kohlenstoffpunkten (C-Punkten) und Poly(vinylidenfluorid) (PVDF) – C-Punkt-PVDF-Filmen [47]. Die erhaltenen Ergebnisse haben gezeigt, dass dieses Nanokomposit der Maskenoberfläche Hydrophobizität verleiht und somit hilft, die Feuchtigkeit zu reduzieren. Der geringe Feuchtigkeitsgehalt der Maske verringert das Risiko einer mikrobiellen Kontamination. Darüber hinaus beeinflusste das resultierende nanoporöse Material die Atmung durch die Maske nicht und schützte vor Partikeln mit einer Größe von 100 nm und mehr (Abb. 8).

Abbildung 8. Gesichtsmaske mit eingearbeiteten C-Punkt-PVDF-Folien.

Es wurde berichtet, dass Nanopartikel auf Kohlenstoffbasis (z. B. Graphen und Graphenoxid) an die Viruspartikel binden und so ihre äußeren Strukturen zerstören können [23]. Das Potenzial solcher Graphen-Nanopartikel (G) und Graphenoxid-Nanopartikel (G) als Waffe gegen antimikrobielle Erreger wurde untersucht. Herkömmlichen Materialien aus der PSA-Herstellung (Baumwolle und Polyurethan) wurden Nanopartikel zugesetzt. Eine Lösung mit lebenden Viruspartikeln (SARS-CoV-2) wurde durch das nanobeschichtete Material gefiltert. Die Autoren haben festgestellt, dass nach der Filtration die Infektionsfähigkeit der Viruspartikel signifikant oder vollständig gehemmt wurde. Nanobasierte Materialien dieser Art haben das Potenzial, erfolgreich im Kampf gegen schwere Virusinfektionen, einschließlich SARS-CoV-2, eingesetzt zu werden. Darüber hinaus kann die Einarbeitung von Graphen in Textilmaterialien laut anderen Autoren diese stärker, leitfähiger und widerstandsfähiger gegen Feuer, Abrieb und UV-Licht machen [6]. Verschiedene chemische Substanzen, zB Molybdänsulfid, Kupferoxid, Mangandioxid, Siliziumkarbid etc., wurden Graphene-Kompositen zugesetzt und deren antimikrobielle Wirkung ebenfalls nachgewiesen [42].

Eine weitere Option sind die Metall-NPs. Es wurde berichtet, dass der Mechanismus ihrer antiviralen Wirkung aus drei Grundstufen besteht: i) Blockieren des Viruseintritts in die Wirtszelle; ii) Stimulierung der Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS), Radikale und Ionen, die die Grundfunktionen der Viruspartikel inaktiviert, und iii) Stimulierung des Immunsystems des Makroorganismus [42]. Von Silber und Kupfer ist bekannt, dass sie universelle antimikrobielle Aktivität haben. Mehrere Studien, zusammengefasst von Campos et al., haben die erfolgreiche Einarbeitung dieser Metalle in verschiedene Textilmaterialien gezeigt [8]. Beispielsweise wurde gezeigt, dass Silber-Nanopartikel (zusammengesetzt in Silica-Hybrid) eine gute antivirale Aktivität gegen das Influenzavirus bieten, wenn sie zu Filtern hinzugefügt werden [39]. Es wurde auch berichtet, dass Kupfernanopartikel, die Textilprodukten zugesetzt werden, die Virusaktivität verschiedener Viren, einschließlich SARS-CoV, beeinflussen [69].

Die Vorteile und Perspektiven der nanotechnologisch hergestellten Materialien für die Herstellung von PSA sind zahlreich. Die zusammengefassten Informationen zu diesen Vorteilen sind in Abb. 9 dargestellt.

Abbildung 9. Hauptvorteile von nanobasierter PSA.

5. Sicherheit nanobasierter Produkte

Das Potenzial der Nanotechnologie ist nicht auf einen einzelnen Bereich beschränkt. Hier wird die Anwendung von Nanopartikeln, Nanofasern und Nanowhiskern in der PPE-Produktion diskutiert. Die Nanotechnologie besitzt jedoch ein breiteres Potenzial. Angesichts des COVID-19-Ausbruchs und der Mittel zur Bekämpfung der Krankheit liegen die Hauptaugenmerke und Hoffnungen auf den neuen wissenschaftlichen Errungenschaften, auch im Bereich der Nanotechnologie. Die Entwicklung und Anwendungsgebiete der Nanotechnologie in der Medizin (sog. Nanomedizin) lassen sich in mehrere Hauptrichtungen einteilen: Diagnostik, Behandlung und Prävention viraler/bakterieller Erkrankungen [8]. Abgesehen von den unbestrittenen Vorteilen der Nanotechnologie gibt es sehr wichtige Aspekte in Bezug auf die sichere Anwendung von Nanopartikeln, die berücksichtigt werden müssen. Die Einschränkungen bei der Verwendung nanobasierter Ansätze in der Medizin könnten auf einige Herausforderungen zurückzuführen sein, die ihre Herstellung, Anwendung und Freisetzung in die Umwelt nach der Verwendung betreffen. Die Hauptaspekte, die besondere Aufmerksamkeit verdienen, könnten wie folgt klassifiziert werden [8]:

• Bewertung der Sicherheitsanwendung im/am menschlichen Körper– es wurde berichtet, dass einige Nanopartikel, z. B. in Gesichtsmasken eingearbeitete Ag-NPs, beim Einatmen Schäden im menschlichen Körper (Lunge, Blutkreislauf und Herz) hervorrufen können [20 ]. Ähnliche Daten wurden für die Toxizität von TiO2-NPs beim Menschen und die krebserzeugende Wirkung der Kohlenstoffnanoröhren berichtet [31, 54]. Daher müssen eingehendere Tests in vivo durchgeführt werden, um die Unbedenklichkeit von Nanopartikeln für den menschlichen Körper nachzuweisen, bevor sie in PSA-Materialien oder Arzneimittel eingebaut werden, die in engem Kontakt mit der äußeren/inneren Oberfläche des menschlichen Körpers stehen [8].
• Bewertung der Umweltverträglichkeit– Auch die Auswirkungen von freigesetzten Nanopartikeln in verschiedenen Umweltnischen müssen sorgfältig geprüft werden. Es wurde beispielsweise berichtet, dass Silber- und Kupfer-NPs schwere toxische Schäden am Meeresökosystem verursachen [3]. Umfassende Daten zu möglichen negativen Auswirkungen sind derzeit unzureichend und müssen verbessert werden [54].
• Entwicklung universeller Protokolle für die breit gefächerte Charakterisierung von Nanomaterialien– biologisch, physikalisch, chemisch usw. – laut Palmieri et al. muss die Verantwortung dafür von den Regierungen übernommen werden, und alle produzierenden Unternehmen müssen die festgelegten Regeln befolgen [ 38].
• Verabschiedung einer einheitlichen Definition des Begriffs „Nanomaterialien“ [57];
• sorgfältige Bewertung der Möglichkeiten für die produzierenden Fabriken, die Marktanforderungen zu erfüllen [8].

Der Bedarf an zuverlässigen Lösungen für den Schutz von Menschen und die Behandlung von Krankheiten ist von wesentlicher Bedeutung. In dieser Hinsicht könnte die Nanotechnologie in verschiedenen Bereichen der Medizin, einschließlich der Herstellung von PSA, eine sehr glänzende Zukunft haben.

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Test LO 1.2

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