Impresión 3D de mascarilla protectora: Guía paso a paso

En la situación actual, enfrentando una pandemia global por la propagación del coronavirus COVID-19, creemos que cualquier aporte y ayuda desde cualquier ámbito puede ser extremadamente importante, y surgen iniciativas muy interesantes desde el sector de la impresión 3D que consideramos relevantes difundir.

Durante los últimos días son frecuentes las noticias sobre la escasez de mascarillas, un equipo de protección básico, especialmente para profesionales sanitarios, pero también para otras personas más expuestas al virus por su trabajo u otras circunstancias.

Por ello, el equipo de Copper3D, fabricante del filamento antibacteriano PLActive, ha compartido el diseño de una mascarilla válida para fabricar en prácticamente cualquier impresora 3D FDM y cuyo archivo STL está disponible para descarga gratuita:

DESCARGAR STL

Imagen 1: Diseño mascarilla NanoHack. Fuente: 3D Copper.

Esta mascarilla tiene las siguientes características:

• Antimicrobiana y antiviral, al fabricarse con PLActive, un nanocompuesto innovador desarrollado con PLA de alta calidad y un aditivo de nanocobre patentado, científicamente validado y altamente eficaz.
• Reciclable: El mayor uso de mascarillas quirúrgicas y respiradores desechables tendrá un efecto perjudicial en el medio ambiente. Para evitarlo, usar filamento PLActive para imprimir es consumir un material reciclable.
• Patrón plano, para facilitar su fabricación masiva y en prácticamente cualquier impresora 3D FDM.
• Sistema de filtración modular: La mascarilla incorpora un novedoso sistema de filtración modular para partículas finas hecho de un material que usa nanocompuestos de cobre probados para desactivar virus. Este sistema incluye varias capas con diferentes geometrías para proporcionar filtración efectiva de partículas finas. Además, puede acomodar materiales de filtro de terceros como polipropileno no tejido, esponjas o textiles.
• Capacidad de termoformado a 55-60 °C, lo que permite dar la forma correcta a la anatomía de cualquier rostro simplemente usando un secador de pelo o agua caliente.
• Control de filtración y entrada de aire. El uso prolongado de respiradores ha demostrado reducir la capacidad pulmonar. Estos respiradores de un solo uso no permiten regular la entrada de aire ni el tamaño de partícula. Esta mascarilla incorpora un disco de filtro modular que regula eficazmente la entrada de aire y el tamaño de partícula. Este sistema puede personalizarse usando polipropileno no tejido de filtración, tela, esponjas y diferentes textiles para reducir el nivel de filtración.

La impresión 3D y montaje de la mascarilla es muy sencilla, pero es importante seguir las siguientes instrucciones para un uso seguro:

1. Imprimir las piezas con 20 % de relleno, sin soportes ni raft. Cada mascarilla consume unos 40 gramos de filamento, así que con una bobina de 750 g de PLActive se pueden imprimir 17-18 mascarillas.
2. Calentar la mascarilla a 55-60 °C con secador de pelo o agua caliente. La parte circular debe quedar intacta, por eso es más gruesa para evitar deformaciones.
3. Al ablandarse, juntar las aletas nasales y las aletas de ajuste situadas en la mandíbula inferior.
4. Calentar de nuevo y colocarla en la cara para ajustarla totalmente a cada rostro.
5. Insertar uno o dos filtros adicionales. Si se usa un filtro, se puede usar una pieza circular (simple o doble) de mascarilla quirúrgica convencional de polipropileno no tejido (A) o añadir un disco desmaquillante de algodón (B), ajustándolos bien a la ventana del sistema de filtración. La filtración y flujo de aire pueden regularse con combinaciones de estos elementos.
6. Añadir las gomas de sujeción.

Imagen 2: Instrucciones montaje NanoHack. Fuente: Copper 3D.

Otra opción sería usar el filamento flexible antibacteriano MD¹ Flex, también fabricado por Copper3D, que al ser flexible, la mascarilla impresa no necesita calentarse para adaptarse.

Por otro lado, hay que tener en cuenta que estas mascarillas, aunque son efectivas, tienen ciertas limitaciones, como un ciclo de vida corto (aproximadamente 8 horas). Los virus respiratorios, específicamente SARS-CoV-2 (COVID-19) pueden vivir hasta 72 horas en diferentes superficies, por lo que al final del día tendríamos una alta carga viral/bacteriana atrapada a pocos milímetros de nuestra nariz y boca, exponiéndonos más a estos peligrosos microbios.

Finalmente, queremos agradecer al proyecto NanoHack y a su equipo de científicos y diseñadores industriales de EE. UU. y Chile por poner a disposición de la sociedad la descripción y planos de su patente.

ACTUALIZACIÓN (20 marzo): Copper3D ha publicado una comunicación para resolver dudas sobre certificaciones y usos de Nanohack. Ver publicación

ACTUALIZACIÓN (21 marzo): Nueva comunicación de Copper3D, donde indica que la eficiencia de filtración de Nanohack es 96,4 % para microorganismos de 1 micrón y 89,5 % para microorganismos de 0,02 micrones. Además, detalla especificaciones y configuraciones para la correcta impresión de Nanohack en prácticamente cualquier impresora 3D FDM. Ver publicación

NanoHack 2.0

Recientemente, el equipo de Copper3D ha compartido un nuevo diseño de mascarilla: NanoHack 2.0.

A diferencia de otros conceptos, NanoHack 2.0 está compuesto por una estructura monolítica robusta y hermética, que debe imprimirse en 3D con PLActive para proporcionar máxima protección frente al entorno exterior. Para hacer la mascarilla estanca, el marco se sella con un borde impreso en 3D con MDFlex, un TPU antimicrobiano.

DESCARGAR STL

Imagen 3: Diseño mascarilla NanoHack 2.0. Fuente: Copper 3D.

Consideraciones técnicas

La mascarilla NanoHack es un dispositivo creado para ofrecer protección contra partículas en el aire y evitar la propagación de aerosoles líquidos que contaminan las vías respiratorias.

Mediante estudios sobre eficacia de mascarillas caseras, se ha detectado que los materiales de filtro NanoHack (polipropileno no tejido, mismo material que mascarillas quirúrgicas), logran una eficiencia de filtración del 96,4 % para microorganismos de 1 micrón y 89,5 % para microorganismos de 0,02 micrones.

Según un estudio de la FDA de EE. UU., el diseño de mascarillas quirúrgicas comunes no permite protección completa contra gérmenes y otros contaminantes por su ajuste laxo. Además, son dispositivos de un solo uso que deben desecharse de forma segura. Las autoridades sanitarias recomiendan colocar estos artículos en una bolsa de plástico y tirarlos; así como lavarse las manos tras manipular la mascarilla usada. Investigaciones previas indicaron que la alta carga viral residual en mascarillas y respiradores quirúrgicos puede ser fuente de transmisión viral tanto para quien las lleva como para otros. Esto puede ocurrir cuando los sanitarios tocan su mascarilla y luego no se lavan las manos o cuando desechan la mascarilla sin precauciones adecuadas. Además, patógenos que no son detenidos por respiradores quirúrgicos en pacientes en quirófano aumentan el riesgo de infecciones nosocomiales (adquiridas durante estancia hospitalaria). Por todas estas razones, la mascarilla NanoHack usa un polímero reciclable y biocompatible que contiene un nanocompuesto de cobre con propiedades antimicrobianas: PLActive.

Sobre la actividad antimicrobiana del cobre, se puede decir que inhibe la replicación y propagación de SARS-CoV, Influenza y otros virus respiratorios. Esto se debe a su alto potencial antimicrobiano (antiviral y antibacteriano).

Imagen 4: Actividad antiviral del cobre. Fuente: Copper 3D.

Así, como el cobre puede inactivar virus como SARS-CoV, virus Influenza, H1N1, y eliminar bacterias peligrosas como Staphylococcus aureus, Escherichia coli o Listeria entre otras, tras un corto período de exposición, los filamentos PLActive y MDflex del fabricante Copper3D son una estrategia complementaria eficaz y de bajo coste para ayudar a reducir la transmisión de diversas enfermedades infecciosas limitando la transmisión nosocomial.
NanoHack fue concebido como mascarilla facial antimicrobiana apta para impresión 3D FDM y fabricada con materiales activos. Para su montaje, se deben usar filtros activos de polipropileno no tejido (3 capas) para obtener protección adicional contra microorganismos.

Según el estudio de Borkow G. (Neutralizing viruses in suspensions using copper oxide-based filters. Antimicrobial agents and chemotherapy), un filtro de tejido no tejido impregnado con óxido de cobre es capaz de generar filtros virales de diferentes tipos, incluyendo virus respiratorios.

Imagen 5: Diseño filtros mascarilla NanoHack 2.0. Fuente: Copper 3D.

Para protección óptima frente al entorno, se recomienda usar el filtro de polipropileno no tejido de triple capa con nanocompuestos de cobre desarrollado por The Copper Company.

Imagen 6: Tabla reducción carga viral con filtros partículas de cobre. Fuente: Copper 3D.

Imagen 7: Imágenes microscopio electrónico de fibras polipropileno impregnadas óxido cobre. Fuente: Copper 3D.

En caso de no tener acceso a este tipo de filtro, un estudio de Anna Davies analiza la eficiencia de filtros de diferentes materiales como filtros de aspiradora y fibras como algodón o seda:

Imagen 8: Tabla eficacia diferentes materiales como filtro. Fuente: Copper 3D.

Recomendaciones de uso

El objetivo de NanoMask 2.0 es ofrecer a la población protección contra partículas en el aire y evitar la propagación de aerosoles líquidos que podrían contaminar el tracto respiratorio. Tenga en cuenta que no es una mascarilla N95. Es una mascarilla facial y no debe considerarse como EPI homologado.

En relación a profesionales sanitarios, este dispositivo debe usarse como último recurso: no deben manipularse intubaciones, ventilación mecánica, broncoscopias o procedimientos similares.

Esta mascarilla está diseñada para usarse en espacios comunes, un máximo de 8 horas, y cambiar el filtro no tejido una vez al día. Tras manipular el filtro activo, debe lavarse las manos y seguir las precauciones recomendadas por autoridades sanitarias.

Los consejos de limpieza para NanoMask son:

1. Lavado: El dispositivo debe lavarse con agua y jabón.
2. Aclarado: Una vez lavado, debe aclararse bien con agua limpia.
3. Desinfección: El equipo debe desinfectarse para inactivar patógenos restantes. Para ello, debe usarse desinfección química, no autoclave, ya que PLActive no tolera 80 °C o más. Los métodos químicos y germicidas más accesibles son:
1. Método 1: El alcohol es efectivo contra virus influenza. Alcohol etílico (70 %) es un potente germicida de amplio espectro y generalmente se considera superior al alcohol isopropílico. Al ser inflamable, limite su uso como desinfectante de superficies a superficies pequeñas y use solo en espacios bien ventilados.
2. Método 2: La mayoría de soluciones de lejía doméstica contienen 5 % hipoclorito sódico (50.000 ppm cloro disponible). Dilución recomendada: dilución 1:100 de hipoclorito sódico al 5 % es la recomendación habitual. Use 1 parte de lejía por 99 partes de agua del grifo fría (dilución 1:100) para desinfectar superficies. Ajuste la proporción según sea necesario para lograr la concentración adecuada. Por ejemplo, para preparados de lejía con 2,5 % hipoclorito sódico, use el doble de lejía (2 partes lejía por 98 partes agua).
4. Aclarado: Si se usa desinfección química, aclarar con agua estéril o limpia (agua hervida 5 min y enfriada). El agua estéril es preferible para eliminar residuos de desinfectante químico líquido de un dispositivo respiratorio que se ha desinfectado químicamente para reutilizar, ya que el agua del grifo o destilada puede albergar microorganismos que causan neumonía. Sin embargo, cuando no sea factible aclarar con agua estéril, en su lugar aclare con agua del grifo o filtrada (agua pasada por filtro 0,2 μ). Se recomienda desinfección por inmersión con tiempo de contacto de 30 minutos.
5. Secado: Siga el paso anterior con aclarado de alcohol y secado con aire forzado.
6. Almacenamiento: Guarde el equipo seco en envases cerrados.

NanoHack 2.2

Copper3D lanzó recientemente una actualización de la mascarilla NanoHack 2.0: la NanoHack 2.2.

Al igual que su predecesora, la NanoHack 2.2 consta de estructura monolítica. En esta nueva versión, tiene 3 paredes constantes sin ángulos para reforzar la estructura del dispositivo. Además, se ofrecen dos opciones para la estructura del filtro interno: Voronoi o Gyroid.

Tiempo total de impresión para NanoHack 2.2 es 4 horas y media.

DESCARGAR STL

Imagen 9: Diseño mascarilla NanoHack 2.2. Fuente: Copper 3D.

Las mascarillas NanoHack 2.0 y NanoHack 2.2 están diseñadas para ajustarse a un rostro de 12 cm de alto, medidos desde la punta del mentón al plano ocular (línea horizontal que pasa justo entre los ojos) y una distancia entre pómulos (medida directamente sobre la nariz) también de 12 cm. Si tu rostro es más pequeño o grande que estas medidas, se sugiere redimensionar el modelo un 5 % o 10 % para ajustarlo perfectamente a tu cara.