保護マスクの3Dプリント：ステップバイステップガイド

コロナウイルスCOVID-19の拡大による世界的パンデミックに直面している現在の状況において、あらゆる分野からの貢献と支援が極めて重要になると考え、3Dプリントセクターから生まれている非常に興味深いイニシアチブを広めることが適切だと判断しました。

最近、特に医療従事者にとって基本的な防護具であるマスクの不足に関するニュースが頻繁に報じられていますが、仕事やその他の事情でウイルスにより曝露される可能性のある他の人々にとっても重要です。

このため、抗菌フィラメントPLActiveのメーカーであるCopper3Dチームが、実質的にあらゆる3D FDMプリンターで製造可能なマスクの設計を共有し、そのSTLファイルを無料でダウンロード可能にしています：

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画像1：NanoHackマスク設計。出典：3D Copper。

このマスクには以下の特徴があります：

• 抗菌および抗ウイルス：高品質PLAと、科学的に検証された高効果ナノ銅添加剤で開発された革新的ナノコンポジットPLActiveで製造。
• リサイクル可能：使い捨て手術用マスクとレスピレーターの使用増加は生態系に悪影響を及ぼします。PLActiveフィラメントでプリントすることで、リサイクル可能な材料を消費することになり、この悪影響を回避できます。
• 平面パターン：実質的にあらゆる3D FDMプリンターで大量生産を容易にするため。
• モジュラーろ過システム：実証済み銅ナノコンポジットでウイルスを不活性化する材料を使用した微細粒子用の新しいモジュラーろ過システムを搭載。異なる形状の複数層で効果的な微細粒子ろ過を提供。さらに、不織布プロピレン、スポンジ、テキスタイルなどのサードパーティフィルター材料にも対応。
• 熱成形能力：55〜60℃で、ヘアドライヤーや温水を使用して任意の顔の解剖学的形状に正しく適合させられます。
• ろ過と吸気の制御：レスピレーターの長期使用は肺活量を低下させることが実証されています。使い捨てレスピレーターでは吸気量や粒子サイズを調整できません。このマスクはモジュラーフィルターディスクを搭載し、吸気量と粒子サイズを効果的に調整可能。不織布ろ過プロピレン、衣類、スポンジ、さまざまなテキスタイルの組み合わせでろ過レベルをカスタマイズできます。

マスクの3Dプリントと組み立ては非常にシンプルですが、安全な使用のために以下の手順に従うことが重要です：

1. 20%インフィル、サポートなし、ラフトなしでパーツをプリント。各マスクは約40グラムのフィラメントを消費するため、750グラムのPLActiveスプールで17〜18個のマスクをプリント可能。
2. ヘアドライヤーまたは熱湯でマスクを55〜60℃に加熱。円形部分は変形を避けるため厚くなっており、そのままの状態を保つ必要があります。
3. 軟化したら、鼻翼と下顎の調整翼を合わせます。
4. 再度加熱し、顔に当てて各顔に完全にフィットさせます。
5. 1つまたは2つの追加フィルターを挿入。フィルターを1つ使用する場合、従来の不織布プロピレンマスクの円形ピース（シングルまたはダブル）（A）またはコットンメイク落としパッド（B）を使用し、ろ過システムのウィンドウにしっかりフィットさせます。これらの要素の組み合わせでろ過と気流を調整できます。
6. 固定用のゴム紐を追加。

画像2：NanoHack組み立て手順。出典：Copper 3D。

別のオプションとして、Copper3Dも製造する柔軟抗菌MD¹ Flexフィラメントを使用する方法があります。柔軟性があるため、プリントされたマスクを加熱して適合させる必要がありません。

一方、これらのマスクは効果的ですが、短い寿命（約8時間）などの制限があることを考慮する必要があります。呼吸器ウイルス、特にSARS-Cov-2（COVID-19）はさまざまな表面で最大72時間生存するため、一日の終わりには鼻と口からわずか数ミリメートルの場所に高いウイルス/細菌負荷が捕捉され、これらの危険な微生物にさらされることになります。

最後に、NanoHackプロジェクトと、アメリカとチリの科学者とインダストリアルデザイナーチームが、特許の説明と計画を社会に提供してくれたことに感謝します。

更新（3月20日）：Copper3DがNanohackの認証と用途に関する疑問を解決するコミュニケーションを公開。出版物を表示

更新（3月21日）：Copper3Dから新たなコミュニケーション。Nanohackのろ過効率は1ミクロン微生物で96.4%、0.02ミクロン微生物で89.5%と表明。また、実質的にあらゆる3D FDMプリンターでのNanohack正しいプリント仕様と設定を詳細化。出版物を表示

NanoHack 2.0

最近、Copper3Dチームが新しいマスク設計を共有しました：NanoHack 2.0。

他のコンセプトとは異なり、NanoHack 2.0は強固で気密なモノブロック構造で構成され、外部環境に対する最大限の保護を提供するためにPLActiveで3Dプリントする必要があります。マスクを水密にするため、フレームをMDFlex（抗菌TPU）で3Dプリントしたエッジで密封します。

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画像3：NanoHack 2.0マスク設計。出典：Copper 3D。

技術的考慮事項

NanoHackマスクは、空気中の粒子に対する保護を提供し、気道を汚染する液体の拡散を防ぐ目的で作られたデバイスです。

自家製マスクの有効性に関する研究で、NanoHackのフィルター材料（不織布ポリプロピレン、手術用マスクと同じ材料）が、1ミクロンの微生物に対して96.4%、0.02ミクロンの微生物に対して89.5%のろ過効率を達成することが検出されました。

米国FDAの研究によると、一般的な手術用マスクの設計は、ゆるいフィットのため細菌やその他の汚染物質に対する完全な保護を許可しません。また、手術用マスクは安全に廃棄しなければならない使い捨てデバイスです。保健当局は、これらのアイテムをビニール袋に入れて捨て、使用済みマスクを扱った後は手を洗うことを推奨しています。以前発表された研究では、手術用マスクとレスピレーターに残る高いウイルス負荷が、マスク着用者とレスピレーターの両方、および他の人々にとってウイルス伝播の源になり得ることが示されています。これは、医療従事者がマスクに触れて手を洗わない場合や、適切な廃棄予防措置なしにマスクを廃棄する場合に起こり得ます。さらに、手術室の患者において手術用レスピレーターが見逃す病原体は、院内感染（入院中に獲得する感染）のリスクを高めます。これらすべての理由から、NanoHackマスクは抗菌特性を示す銅ナノコンポジットを含むリサイクル可能で生体適合性のあるポリマー、PLActiveを使用します。

銅の抗菌活性について言えば、SARS-CoV、インフルエンザ、その他の呼吸器ウイルスの複製と拡散能力を阻害します。これは高い抗菌ポテンシャル（抗ウイルスと抗菌）を持つためです。

画像4：銅の抗ウイルス活性。出典：Copper 3D。

したがって、銅はSARS-CoV、インフルエンザウイルス、H1N1などのウイルスを不活性化し、黄色ブドウ球菌、大腸菌、リステリアなどの危険な細菌を短時間の曝露で除去できるため、Copper3DメーカーのPLActiveとMDflexフィラメントは、院内感染伝播を制限することで、さまざまな感染症の伝播を減らす効果的で低コストな補完戦略となり得ます。NanoHackは、FDMで3Dプリント可能な抗菌フェイスマスクとして、活性材料で製造されることを構想されました。その組み立てには、微生物に対する追加保護を得るために、活性不織布ポリプロピレンフィルター（3層）を使用する必要があります。

Borkow G.の研究（銅酸化物ベースフィルターを使用した懸濁液中のウイルス中和。抗菌剤と化学療法）によると、銅酸化物を含浸させた不織布フィルターは、呼吸器ウイルスを含むさまざまなタイプのウイルスフィルターを生成できます。

画像5：NanoHack 2.0マスクフィルター設計。出典：Copper 3D。

環境に対する最適な保護のため、The Copper Companyが開発した銅ナノコンポジットを含む三層不織布ポリプロピレンフィルターの使用を推奨します。

画像6：銅粒子フィルターによるウイルス負荷低減表。出典：Copper 3D。

画像7：銅酸化物含浸ポリプロピレン繊維の走査電子顕微鏡画像。出典：Copper 3D。

このタイプのフィルターにアクセスできない場合、Anna Daviesの研究が、掃除機フィルターや綿、絹などの繊維など、さまざまな材料のフィルター効率を分析しています：

画像8：フィルターとしてのさまざまな材料の有効性表。出典：Copper 3D。

使用推奨事項

NanoMask 2.0の目的は、空気中の粒子に対する保護を提供し、呼吸器を汚染する可能性のある液体エアロゾルの拡散を防ぐことです。これはN95マスクではないことに注意してください。フェイスマスクであり、承認済みPPEと見なすべきではありません。

医療従事者に関しては、このデバイスは最後の手段として使用すべきです：気管挿管、人工呼吸、気管支鏡検査や類似の手技を操作すべきではありません。

このマスクは共用スペースでの使用を想定し、最大8時間、不織布フィルターを1日1回交換して使用します。活性フィルターを扱った後は手を洗い、保健当局が推奨する予防措置に従ってください。

NanoMaskの洗浄ヒントは以下の通りです：

1. 洗浄：デバイスを石鹸と水で洗う。
2. すすぎ：洗浄後、きれいな水でよくすすぐ。
3. 消毒：残存病原体を不活性化するために装置を消毒。オートクレーブは使用せず、化学消毒を使用。PLActiveは80℃以上に耐えられないため。最もアクセスしやすい化学的・殺菌的方法を以下に示す：
1. 方法1：アルコールはインフルエンザウイルスに効果的。エチルアルコール（70%）は強力な広域スペクトラム殺菌剤で、一般的にイソプロピルアルコールより優れているとされる。アルコールは可燃性なので、小さな表面への表面消毒剤としての使用に限定し、換気の良い場所でのみ使用。
2. 方法：ほとんどの家庭用漂白剤溶液は5%次亜塩素酸ナトリウム（50,000ppm有効塩素）を含む。推奨希釈：5%次亜塩素酸ナトリウムの1:100希釈が通常推奨される。漂白剤1部を水道水99部（1:100希釈）で薄めて表面を消毒。適切な次亜塩素酸ナトリウム濃度を達成するため、漂白剤と水の比率を必要に応じて調整。例えば、2.5%次亜塩素酸ナトリウム含有漂白剤の場合、漂白剤を2倍使用（漂白剤2部を水98部）。
4. すすぎ：化学消毒を使用する場合、無菌または清潔な水（5分間沸騰させて冷ました水）で洗い流す。化学消毒で再利用する呼吸器デバイスから残留液体化学消毒剤を洗い流すには無菌水が好ましい。水道水や蒸留水には肺炎を引き起こす微生物が潜んでいる可能性があるため。しかし、無菌水での洗浄が不可能な場合、代わりに水道水またはろ過水（0.2μフィルターを通した水）で洗浄。浸漬消毒を推奨、接触時間30分。
5. 乾燥：前ステップに続きアルコールで洗浄し、強制空気乾燥。
6. 保管：乾燥した状態で密閉包装に保管。

NanoHack 2.2

Copper3Dが最近、NanoHack 2.0マスクのアップデートをリリースしました：NanoHack 2.2。

前作と同様、NanoHack 2.2はモノブロック構造で構成されます。この新バージョンでは、角度のない3層の定常壁でデバイス構造を強化。さらに、内部フィルター構造にVoronoiまたはGyroidの2オプションを提供。

NanoHack 2.2の総プリント時間は4時間半です。

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画像9：NanoHack 2.2マスク設計。出典：Copper 3D。

NanoHack 2.0とNanoHack 2.2マスクは、顎の先から眼平面（目を通る水平線）まで12cm、頬骨間距離（鼻上で直接測定）も12cmの顔にフィットするよう設計されています。顔がこれらの測定値より小さいまたは大きい場合、モデルを5%または10%リサイズして完璧にフィットさせることを推奨します。