Bu yılın başından itibaren ortaya çıkan Koronavirüs salgını dolayısıyla dünyanın çeşitli yerlerinde tedavi yolları geliştirilmeye devam ediliyor. Araştırmalar sonucunda kesin tedavi eden ilaca veya aşıya ulaşana kadar salgından korunmak için alabileceğimiz tek önlem kendimizi korumak.
Bu önlemlerin en başında ise yüz maskeleri geliyor. Pandemi sürecinde hepimiz yüz maskelerinin çeşitleri ve koruyuculuk değerleri hakkında bilgi sahibi olduk. Peki bu maskelerin karakterizasyonu nasıl yapılmaktadır? Bu yazımızda yüz maskelerinin karakterizasyonunun nasıl yapıldığından ve 3 katlı cerrahi maskeler (aşağıdaki görselde sağ tarafta gösterilmiştir) ile tek katmanlı, kalıplanmış kap veya konik maskeler (aşağıdaki görselde sol tarafta gösterilmiştir) karşılaştırılacaktır. Sonuçların incelenmesiyle virüs veya bakteriyel filtrasyon verimliliğin tanımlaması amaçlanmamıştır.
Cerrahi maskeler 3 katmandan oluşurlar. Giyen kişinin soluk alıp vermesiyle ortaya çıkan parçacıkların ortama ulaşmasını engellemek üzere dizayn edilmişlerdir. En dış katman, genellikle damlacıkları tutmak üzere büyük gözenekler içeren nonwoven hidrofobik yapıda polipropilen malzemeden yapılmıştır. Orta katman, küçük gözenekler içeren ve bu sebeple asıl filtreleme işlemini gerçekleştiren non-woven, melt-blown polipropilen malzemeden yapılmıştır. İç katman ise yine büyük gözenekler içeren non-woven yapıda kullanıcıya rahat hissettirmeyi, terleme ve tükürüğün orta katmana geçmesini engellemeyi amaçlamıştır. Bu üç katmanın gözenek büyüklüğü dağılımı, özellikle orta katmandaki gözenek boyutu dağılımı, maskenin filtrasyon verimini belirler. Küçük gözenekler büyük partikülleri filtreleyerek fiziksel olarak hareketini engeller. Non-woven yapı sayesinde ise bu gözenekli yapının griftlik özelliği artar ve filtrasyon verimini aynı oranda artırır.
Cerrahi maskeler giyen kişiye, örneğin sağlık çalışanlarına, hava kaynaklı patojenlere karşı bir miktar koruma sağlar, ancak gevşeyebildikleri için solunum tipi maske verimi ile işlev görmeleri amaçlanmamıştır [1]. Bununla birlikte, cerrahi yüz maskelerinin, solunum damlacıklarında influenza virüsü RNA’sının ve aerosollerde koronavirüs RNA’sının saptanmasını önemli ölçüde azalttığı bulunmuştur bu da cerrahi yüz maskelerinin koronavirüs ve influenza virüsün bulaşmasını önleyebileceği sonucuna varılmasını sağlamıştır [2]
Tek katmanlı, kalıplanmış kap veya konik maskeler ise genellikle tarım, ağaç kesme ve inşaat gibi uygulamalarda kullanıcıyı toza karşı korumak için tasarlanmıştır.
Karakterizasyon Yöntemleri
1) Capillary Flow Porometry (CFP) / Kapiler Akışlı Porometre
Bu yöntem, malzemeden geçecek veya geçmeyecek parçacıkların büyüklüğü ile ilişkili olan gözenek boyutu dağılımını tanımlamak için kullanılır. Bu yöntemde filtre numunesi yüzey gerilimi bilinen bir sıvı ile ıslatılır ve tüm gözeneklerin bu sıvı ile dolması amaçlanır. Daha sonra kontrollü bir şekilde artırılan hava basıncına numune maruz bırakılır. İlk başta hiç hava akışı yoktur. Fakat daha sonra basınç belli bir seviyenin üstüne çıktığında (bu basınç seviyesi, kullanılan sıvı ile filtre malzemesi arasında oluşan fiziksel bazı kuvvetlere bağlıdır), gözeneklerdeki sıvı boşalır ve hava akışı oluşur. Washburn denklemi, gözeneklerin boşaldığı basınç ile gözeneğin çapı arasındaki ilişkiyi açıklar:
D: Gözenek çapı
P: Basınç
ϒ: Hava ve gözeneği dolduran sıvı arasındaki yüzey gerilimi
Θ: Gözeneği dolduran sıvı ile filtre malzemesinin arasında oluşan kontak açı
k: Gözenek şekli faktörü.
Sonuç olarak malzemedeki geçirgen, yani her iki ucu açık gözeneklerin boyut dağılımına ulaşırız. Elde edilen grafik ile filtre malzemesindeki geçirgen gözeneklerin minimum çap değeri, ortalama çap değeri ya da maksimum çap değeri gibi sonuçlara ulaşılır. Fakat bu yöntem bize malzemede bulunan gözeneklerin hacim bilgisini vermez, yani hangi çaplı gözenekten malzemede daha fazla olduğunu ya da daha az olduğunu bilemeyiz. Bunun için başka bir ölçüm tekniğine ihtiyacımız vardır.
2) Mercury Intrusion Porosimetry (MIP) / Cıvalı Porozimetre
Cıvalı porozimetre yöntemi de Washburn denklemine dayanır fakat bu sefer gözenekleri dolduran sıvının hangi basınç noktasında malzeme ile arasında olan fiziksel kuvvetleri aşıp gözenekleri boşalttığı ölçülmez, tam tersi cıva gibi yüzey enerjisi yüksek bir sıvı kullanarak hangi basınç noktasında bu sıvının gözeneklerin içini doldurduğu ölçülür. Bu yöntemde kontrollü bir şekilde artırılan basınç ile birlikte cıva seviyesi ölçülür ve sonuç olarak gözeneklere dolan cıva miktarı bilinir ve bu bilgi kullanılarak numunedeki toplam gözenek hacmine ve gözenek boyut dağılımına ulaşılır.
Bu iki yöntem arasındaki en büyük fark ise her iki ucu açık, geçirgen gözenekler sadece ilk yöntem, CFP ile ayırt edilir. Cıvalı porozimetrede alınan sonuç malzemede bulunan diğer gözenekleri de örneğin kör gözenek denilen, bir ucu açık gözenekler ve yüzeyde bulunan diğer pürüzsüzlükleri de kapsar. Bu sebeple Ar-Ge çalışmaları için bu iki ekipmanda gerekli olurken kalite kontrol çalışmaları için sadece CFP yeterli gelmektedir.
Deneysel Koşullar
Quantachrome merkez laboratuvarında Maske 1 olarak adlandırılan 3 katmanlı cerrahi maske ve Maske 2 olarak adlandırılan tek katmanlı kalıp maske, CRP ve MIP yöntemleri ile test edilmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.
CRP analizi için Anton Paar Porometer 3G zh ekipmanı kullanılmıştır. Maske 1 için hem 3 katman ayrı ayrı hem de bir arada analizlenip sonuçlar karşılaştırılmıştır. Maske 2 ise olduğu gibi kullanılmıştır. Analiz için 25 cm çapında numuneler kesilmiş, Porofil ile tamamıyla ıslatılmış ve standart numune haznesi kullanılmıştır. Toplam analiz süresi yaklaşık 30 dakika sürmüştür.
MIP analizi için ise Anton Paar PoreMaster ekipmanı kullanılmıştır. Maske 1’den 0,024 g numune kesilmiş, standart 0,5 cm3
’lük numune hücresine yerleştirilmiştir. Maske 2’den ise 0,0391g numune kesilmiştir. Her iki numune önce düşük basınç istasyonlarına yerleştirilmiş ve 50 psi’ye kadar basınç artırılmış ve ölçüm alınmıştır. Daha sonra ise yüksek basınç istasyonuna yerleştirilmiş ve basınç 60.000 psi’ye kadar artırılarak ölçüm alınmıştır. Toplam analiz süresi yaklaşık 30 dakikadır.
Sonuçlar
Maske 1 ve Maske 2’yi olduğu gibi kullanılarak alınan CFP analiz sonuçları incelendiğinde aradaki fark kolayca ortaya çıkmaktadır. Grafik 1’de ve Tablo 3’te görüldüğü üzere Maske 1, Maske 2’ye göre çok daha küçük çapta geçirgen gözenekler içermektedir.
Maske 1’in katmanları ayrı ayrı CFP yöntemi ile analizlendiğinde ise tablo 4’deki gibi sonuçlar elde edilmiştir. En ufak gözenekler beklendiği gibi orta katmandadır ve maskenin filtrasyon etkisini orta katman domine etmektedir. Ayrıca ilginç bir sonucu da Tablo 3 ve Tablo 4’ü incelendiğimizde görüyoruz. Maske 1 bütün olarak analizlendiğinde orta katmandaki gözenek boyutundan daha ufak gözeneklere sahip oluyor. Bunun sebebi ise üst üste binen katmanlar gözenek giriftliğini artırıyor ve bu da gözenek boyutunu azaltıyor.
Her iki maske için cıvalı porozimetre sonuçlarını karşılaştırıldığımızda CFP analizine benzer sonuçlar elde ediyoruz; Maske 1’in en ufak gözeneklere sahip olduğu görülüyor (bakınız Tablo 5). Her iki maskede 300 µm çapından büyük gözeneklere sahip, ortalama gözenek çapı aynı fakat Maske 1’de çok daha ufak gözenekler mevcuttur. Maske 1’de bulunan 20 µm altındaki gözenekler Maske 2’de bulunmuyor (bakınız Grafik 2). Çarpıcı sonuç ise gözeneklere dolan Cıva hacmi karşılaştırmasındadır. Maske 1’deki gözenek hacmi, Maske 2’deki gözenek hacminin neredeyse 2 katıdır. Bu sonuç ile birlikte söyleyebiliriz ki Maske 1 hem daha ufak gözeneklere hem de hacimce daha fazla gözeneklere sahiptir.
Değerlendirme
CFP ve MIP yöntemlerinin kişisel koruyucu ekipmanları üretiminde kullanılan farklı kumaş malzemeleri karakterizasyonu ve farklarını ortaya çıkarılması için faydalı yöntemler olduğu gösterilmiştir. CFP yöntemi, her iki maskedeki en küçük gözeneklerdeki ve gözenek boyutu dağılımındaki farklılıkları açıkça gösterebildi. MIP ise ayrıca, toplam gözenek hacmi ve bir filtre katmanından doğrudan yolda ilerlemeyen parçacıkları yakalayabilen daha küçük gözenekler hakkında bilgi sağlamıştır.
Kaynakça 1. T. Greenhalgh et al, (March, 2020) Oxford COVID-19 Evidence Service Team 2. N.H.L. Leung, et al. Nat Med (2020). doi.org/10.1038/s41591-020-0843-2
Seda Giray
Aplikasyon Uzmanı
Anton Paar Türkiye
