Impressão 3D de Máscara Protetora: Guia Passo a Passo

Na situação atual, em que enfrentamos uma pandemia global devido à propagação do coronavírus COVID-19, acreditamos que qualquer contribuição e ajuda que possa ser fornecida de qualquer área pode ser extremamente importante, e estão a surgir iniciativas muito interessantes do setor de impressão 3D que acreditamos serem relevantes para divulgar.

Durante os últimos dias, são frequentes as notícias sobre a escassez de máscaras, um equipamento de proteção básico, especialmente para profissionais de saúde, mas também para outras pessoas que podem estar mais expostas ao vírus devido ao seu trabalho ou outras circunstâncias.

Por este motivo, a equipa da Copper3D, fabricante do filamento antibacteriano PLActive, partilhou o design de uma máscara que é válida para fabrico em praticamente qualquer impressora 3D FDM e cujo ficheiro STL está disponível para download gratuito e livre:

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Imagem 1: Design da máscara NanoHack. Fonte: 3D Copper.

Esta máscara tem as seguintes características:

• Antimicrobiana e antiviral, sendo fabricada com PLActive, um nanocompósito inovador desenvolvido com PLA de alta qualidade e um aditivo nano-cobre patenteado, cientificamente validado e altamente eficaz.
• Reciclável: O aumento do uso de máscaras cirúrgicas e respiradores descartáveis terá um efeito prejudicial no ambiente. Para evitar este efeito prejudicial no ecossistema, usar o filamento PLActive para impressão é consumir um material reciclável.
• Padrão plano, para facilitar o seu fabrico em massa e em praticamente qualquer impressora 3D FDM.
• Sistema de filtração modular: A máscara incorpora um novo sistema de filtração modular para partículas finas feito de um material que usa nanocompósitos de cobre comprovados para desativar vírus. Este sistema de filtração inclui várias camadas com diferentes geometrias para proporcionar filtração eficaz de partículas finas. Além disso, pode acomodar materiais de filtro de terceiros como polipropileno não tecido, esponjas ou têxteis.
• Capacidades de termoformagem a 55 - 60 ºC, que permitem dar a forma correta da anatomia de qualquer rosto simplesmente usando um secador de cabelo ou água quente.
• Controlo de filtração e entrada de ar. O uso prolongado de respiradores demonstrou reduzir a capacidade pulmonar. Estes respiradores de uso único não permitem regular a entrada de ar ou o tamanho das partículas. Esta máscara incorpora um disco de filtro modular que pode regular eficazmente a entrada de ar e o tamanho das partículas. Este sistema pode ser personalizado usando polipropileno de filtração não tecido, roupa, esponjas e diferentes têxteis para reduzir o nível de filtração.

A impressão 3D e montagem da máscara é muito simples, mas é importante seguir as seguintes instruções para uso seguro:

1. Imprimir as peças com 20% de preenchimento, sem suportes nem rafts. Cada máscara consome cerca de 40 gramas de filamento, então com uma bobina de 750 gramas de PLActive podem ser impressas 17-18 máscaras.
2. Aquecer a máscara a 55 - 60 ºC com secador de cabelo ou água quente. A parte circular deve permanecer intacta, por isso é mais grossa para evitar deformações.
3. Ao amolecer, juntar as asas do nariz e as asas de ajuste localizadas no maxilar inferior.
4. Aquecer novamente e colocá-la no rosto para a ajustar totalmente a cada rosto.
5. Inserir um ou dois filtros adicionais. Se usar um filtro, pode usar uma peça circular (simples ou dupla) de uma máscara não tecida de polipropileno convencional (A) ou adicionar um disco de algodão desmaquilhante (B), ajustando-os bem à janela do sistema de filtração. A filtração e o fluxo de ar podem ser regulados com combinações destes elementos.
6. Adicionar os elásticos para fixação.

Imagem 2: Instruções de montagem NanoHack. Fonte: Copper 3D.

Outra opção seria usar o filamento flexível antibacteriano MD¹ Flex, também fabricado pela Copper3D, que sendo flexível, a máscara impressa não precisa de ser aquecida para adaptação.

Por outro lado, deve ter-se em conta que estas máscaras, embora eficazes, têm certas limitações, como um ciclo de vida curto (aproximadamente 8 horas). Os vírus respiratórios, especificamente SARS-Cov-2 (COVID-19) podem viver até 72 horas em diferentes superfícies, porque no final do dia teríamos uma alta carga viral/bacteriana presa a poucos milímetros do nosso nariz e boca, expondo-nos ainda mais a estes micróbios perigosos.

Finalmente, queremos agradecer ao projeto NanoHack e à sua equipa de cientistas e designers industriais dos Estados Unidos e Chile por disponibilizarem à sociedade a descrição e os planos da sua patente.

ATUALIZAÇÃO (20 de março): Copper3D publicou uma comunicação para esclarecer dúvidas sobre as certificações e usos do Nanohack. Ver publicação

ATUALIZAÇÃO (21 de março): Nova comunicação da Copper3D, onde afirma que a eficiência de filtração do Nanohack é 96,4% para microrganismos de 1 mícron e 89,5% para microrganismos de 0,02 mícron. Além disso, detalha as especificações e configurações para a impressão correta do Nanohack em praticamente qualquer impressora 3D FDM. Ver publicação

NanoHack 2.0

Recentemente, a equipa da Copper3D partilhou um novo design de máscara: NanoHack 2.0.

Ao contrário de outros conceitos, o NanoHack 2.0 é composto por uma estrutura monobloco forte e hermética, que deve ser impressa em 3D com PLActive para proporcionar máxima proteção contra o ambiente externo. Para tornar a máscara estanque, a estrutura é selada com uma borda impressa em 3D com MDFlex, um TPU antimicrobiano.

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Imagem 3: Design da máscara NanoHack 2.0. Fonte: Copper 3D.

Considerações técnicas

A máscara NanoHack é um dispositivo criado com o propósito de oferecer proteção contra partículas no ar e impedir a propagação de líquidos que contaminam as vias respiratórias.

Através de estudos sobre a eficácia de máscaras caseiras, detetou-se que os materiais de filtro do NanoHack (polipropileno não tecido, o mesmo material usado em máscaras cirúrgicas), alcançam uma eficiência de filtração de 96,4% para microrganismos de 1 mícron e 89,5% para microrganismos de 0,02 mícron.

Segundo um estudo da FDA dos Estados Unidos, o design de máscaras cirúrgicas comuns não permite proteção completa contra germes e outros contaminantes devido ao seu ajuste frouxo. Além disso, as máscaras cirúrgicas são dispositivos de uso único que devem ser eliminados de forma segura. As autoridades de saúde recomendam colocar estes itens num saco plástico e deitá-los fora; bem como lavar as mãos após manusear a máscara usada. Investigações publicadas anteriormente indicaram que a alta carga viral que permanece em máscaras cirúrgicas e respiradores pode ser uma fonte de transmissão viral tanto para a pessoa que usa a máscara e respiradores como para outros. Isso pode acontecer quando os profissionais de saúde tocam na sua máscara e depois não lavam as mãos ou quando eliminam a máscara sem as devidas precauções de eliminação. Além disso, patogénicos que são negligenciados por respiradores cirúrgicos em doentes na sala de operações aumentam o risco de infeções nosocomiais (infeções adquiridas durante uma estadia hospitalar). Por todas estas razões, a máscara NanoHack usa um polímero reciclável e biocompatível que contém um nanocompósito de cobre que demonstrou propriedades antimicrobianas: PLActive.

Sobre a atividade antimicrobiana do cobre, pode dizer-se que inibe as capacidades de replicação e propagação de SARS-CoV, Influenza e outros vírus respiratórios. Isto porque têm um alto potencial antimicrobiano (antiviral e antibacteriano).

Imagem 4: Atividade antiviral do cobre. Fonte: Copper 3D.

Assim, como o cobre pode inativar vírus como SARS-CoV, vírus Influenza, H1N1, e eliminar bactérias perigosas como Staphylococcus aureus, Escherichia coli ou Listeria entre outros, após um curto período de exposição. Os filamentos PLActive e MDflex do fabricante Copper3D são uma estratégia complementar eficaz e de baixo custo para ajudar a reduzir a transmissão de várias doenças infeciosas limitando a transmissão infeciosa nosocomial.
O NanoHack foi concebido como uma máscara facial antimicrobiana adequada para impressão 3D em FDM e fabricada com materiais ativos. Para a sua montagem, devem ser usados filtros ativos de polipropileno não tecido (3 camadas) para obter proteção adicional contra microrganismos.

Segundo o estudo de Borkow G. (Neutralizing viruses in suspensions using copper oxide-based filters. Antimicrobial agents and chemotherapy), um filtro de tecido não tecido impregnado com óxido de cobre é capaz de gerar filtros de vírus de diferentes tipos, incluindo vírus respiratórios.

Imagem 5: Design dos filtros da máscara NanoHack 2.0. Fonte: Copper 3D.

Para proteção ótima contra o ambiente, recomenda-se usar o filtro de polipropileno não tecido de tripla camada com nanocompósitos de cobre desenvolvido pela The Copper Company.

Imagem 6: Tabela de redução de carga viral com filtros com partículas de cobre. Fonte: Copper 3D.

Imagem 7: Imagens de microscópio eletrónico de varrimento de fibras de polipropileno impregnadas com óxido de cobre. Fonte: Copper 3D.

Caso não tenha acesso a este tipo de filtro, um estudo de Anna Davies analisa a eficiência de filtros de diferentes materiais como filtros de aspirador e fibras como algodão ou seda:

Imagem 8: Tabela de eficácia de diferentes materiais como filtro. Fonte: Copper 3D.

Recomendações de uso

O objetivo do NanoMask 2.0 é oferecer à população proteção contra partículas no ar e evitar a propagação de aerossóis líquidos que poderiam contaminar o trato respiratório. Note-se que não é uma máscara N95. É uma máscara facial e não deve ser considerada como EPI aprovado.

Em relação a profissionais de saúde, este dispositivo deve ser usado como último recurso: Não devem ser manipuladas intubações, ventilação mecânica, ou broncoscopias ou procedimentos semelhantes.

Esta máscara é desenhada para ser usada em espaços comuns, por um máximo de 8 horas, e trocar o filtro não tecido uma vez por dia. Após manusear o filtro ativo, deve lavar as mãos e seguir as precauções recomendadas pelas autoridades de saúde.

As dicas de limpeza para o NanoMask são as seguintes:

1. Lavagem: O dispositivo deve ser lavado com sabão e água.
2. Enxaguamento: Uma vez lavado, deve ser bem enxaguado com água limpa.
3. Desinfeção: O equipamento deve ser desinfetado para inativar quaisquer patogénicos restantes. Para isso, deve ser usada desinfeção química, não usando autoclave, pois o PLActive não tolera 80 ºC ou mais. Mostram-se abaixo os métodos químicos e germicidas mais acessíveis:
1. Método 1: O álcool é eficaz contra o vírus da gripe. Álcool etílico (70%) é um germicida de amplo espectro poderoso e geralmente considerado superior ao álcool isopropílico. Como o álcool é inflamável, limite o seu uso como desinfetante de superfícies a superfícies pequenas e use apenas em espaços bem ventilados.
2. Método: A maioria das soluções de lixívia caseiras contêm 5% de hipoclorito de sódio (50.000 partes por milhão de cloro disponível). Diluição recomendada: diluição 1:100 de hipoclorito de sódio a 5% é a recomendação habitual. Use 1 parte de lixívia para 99 partes de água da torneira fria (diluição 1:100) para desinfetar superfícies. Ajuste a proporção de lixívia para água conforme necessário para alcançar a concentração adequada de hipoclorito de sódio. Por exemplo, para preparações de lixívia contendo 2,5% de hipoclorito de sódio, use o dobro de lixívia (ou seja, 2 partes de lixívia para 98 partes de água).
4. Enxaguamento final: Se usar desinfeção química, enxaguar com água estéril ou limpa (ou seja, água fervida por 5 minutos e arrefecida). Água estéril é preferida para enxaguar resíduos líquidos de desinfetante químico de um dispositivo respiratório que foi desinfetado quimicamente para reutilização, porque a água da torneira ou destilada pode abrigar microrganismos que podem causar pneumonia. No entanto, quando o enxaguamento com água estéril não é viável, em vez disso, enxaguar com água da torneira ou filtrada (ou seja, água passada por um filtro de 0,2 μ). Desinfeção por imersão é recomendada com tempo de contacto de 30 minutos.
5. Secar equipamento: Seguir o passo anterior com enxaguamento de álcool e secagem com ar forçado.
6. Armazenar: Guardar equipamento seco em embalagens fechadas.

NanoHack 2.2

A Copper3D lançou recentemente uma atualização da máscara NanoHack 2.0; o NanoHack 2.2.

Como o seu predecessor, o NanoHack 2.2 é composto por uma estrutura monobloco. Nesta nova versão, é feito de 3 paredes constantes sem ângulos para fortalecer a estrutura do dispositivo. Além disso, oferecem-se duas opções para a estrutura do filtro interno: Voronoi ou Gyroid.

Tempo total de impressão para NanoHack 2.2 é 4 1/2 horas.

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Imagem 9: Design da máscara NanoHack 2.2. Fonte: Copper 3D.

As máscaras NanoHack 2.0 e NanoHack 2.2 são desenhadas para se ajustar a um rosto de 12 cm de altura, medido da ponta do queixo ao plano dos olhos (uma linha horizontal que passa exatamente entre os olhos) e uma distância entre os ossos malares (medida diretamente no nariz) também de 12 cm. Se o seu rosto for menor ou maior que estas medidas, sugere-se redimensionar o modelo em 5% ou 10% para se ajustar perfeitamente ao seu rosto.