Imprimer un masque de protection en 3D : Guide étape par étape

Dans la situation actuelle, où nous faisons face à une pandémie mondiale due à la propagation du coronavirus COVID-19, nous pensons que toute contribution et aide qui peut être apportée de n'importe quel domaine peut être extrêmement importante, et il émerge des initiatives très intéressantes du secteur de l'impression 3D que nous croyons pertinentes de diffuser.

Ces derniers jours, les nouvelles sur la pénurie de masques, un équipement de protection de base, surtout pour les professionnels de santé, mais aussi pour d'autres personnes qui peuvent être plus exposées au virus en raison de leur travail ou d'autres circonstances, sont fréquentes.

Pour cette raison, l'équipe de Copper3D, fabricant du filament antibactérien PLActive, a partagé le design d'un masque valable pour la fabrication sur pratiquement n'importe quelle imprimante 3D FDM et dont le fichier STL est disponible en téléchargement gratuit :

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Image 1 : Design masque NanoHack. Source : 3D Copper.

Ce masque a les caractéristiques suivantes :

• Antimicrobien et antiviral, étant fabriqué avec PLActive, un nanocomposite innovant développé avec un PLA de haute qualité et un additif nano-cuivre breveté, scientifiquement validé et hautement efficace.
• Recyclable : L'utilisation accrue de masques chirurgicaux et respirateurs jetables aura un effet néfaste sur l'environnement. Pour éviter cet effet néfaste sur l'écosystème, utiliser le filament PLActive pour l'impression revient à consommer un matériau recyclable.
• Patron plat, pour faciliter sa fabrication de manière massive et sur pratiquement n'importe quelle imprimante 3D FDM.
• Système de filtration modulaire : Le masque intègre un système de filtration modulaire novateur pour particules fines fait d'un matériau qui utilise des nanocomposites de cuivre prouvés pour désactiver les virus. Ce système de filtration comprend plusieurs couches avec différentes géométries pour fournir une filtration efficace des particules fines. De plus, il peut accueillir des matériaux de filtre tiers comme le polypropylène non tissé, les éponges ou les textiles.
• Capacités de thermoformage à 55 - 60 °C, ce qui permet de donner la forme correcte de l'anatomie de n'importe quel visage simplement en utilisant un sèche-cheveux ou de l'eau chaude.
• Contrôle de filtration et entrée d'air. L'utilisation prolongée de respirateurs a montré qu'elle réduit la capacité pulmonaire. Ces respirateurs à usage unique ne permettent pas de réguler l'entrée d'air ou la taille des particules. Ce masque intègre un disque de filtre modulaire qui peut réguler efficacement l'entrée d'air et la taille des particules. Ce système peut être personnalisé en utilisant du polypropylène de filtration non tissé, des vêtements, des éponges et différents textiles pour réduire le niveau de filtration.

L'impression 3D et l'assemblage du masque sont très simples, mais il est important de suivre les instructions suivantes pour une utilisation sûre :

1. Imprimer les pièces avec 20 % de remplissage, sans support ni radeau. Chaque masque consomme environ 40 grammes de filament, donc avec une bobine de 750 grammes de PLActive, on peut imprimer 17-18 masques.
2. Chauffer le masque à 55 - 60 °C avec un sèche-cheveux ou de l'eau chaude. La partie circulaire doit rester intacte, c'est pour cela qu'elle est plus épaisse pour éviter les déformations.
3. En ramollissant, rapprocher les ailes du nez et les ailes d'ajustement situées sur la mâchoire inférieure.
4. Chauffer à nouveau et le placer sur le visage pour l'ajuster parfaitement à chaque visage.
5. Insérer un ou deux filtres supplémentaires. Si on utilise un filtre, on peut utiliser une pièce circulaire (simple ou double) d'un masque conventionnel en polypropylène non tissé (A) ou ajouter un disque démaquillant en coton (B), en les ajustant bien à la fenêtre du système de filtration. La filtration et le flux d'air peuvent être régulés avec des combinaisons de ces éléments.
6. Ajouter les élastiques de fixation.

Image 2 : Instructions d'assemblage NanoHack. Source : Copper 3D.

Une autre option serait d'utiliser le filament flexible antibactérien MD¹ Flex, également fabriqué par Copper3D, qui étant flexible, le masque imprimé n'a pas besoin d'être chauffé pour l'adaptation.

D'autre part, il faut tenir compte que ces masques, bien qu'efficaces, ont certaines limitations, comme un cycle de vie court (environ 8 heures). Les virus respiratoires, spécifiquement le SARS-Cov-2 (COVID-19) peuvent vivre jusqu'à 72 heures sur différentes surfaces, car à la fin de la journée nous aurions une charge virale/bactérienne élevée piégée à quelques millimètres de notre nez et de notre bouche, nous exposant davantage à ces microbes dangereux.

Enfin, nous voulons remercier le projet NanoHack et son équipe de scientifiques et designers industriels des États-Unis et du Chili pour avoir mis à disposition de la société la description et les plans de leur brevet.

MISE À JOUR (20 mars) : Copper3D a publié une communication pour lever les doutes sur les certifications et utilisations de Nanohack. Voir publication

MISE À JOUR (21 mars) : Nouvelle communication de Copper3D, où il est indiqué que l'efficacité de filtration de Nanohack est de 96,4 % pour les micro-organismes de 1 micron et 89,5 % pour les micro-organismes de 0,02 micron. De plus, il détaille les spécifications et configurations pour l'impression correcte de Nanohack sur pratiquement n'importe quelle imprimante 3D FDM. Voir publication

NanoHack 2.0

Récemment, l'équipe de Copper3D a partagé un nouveau design de masque : NanoHack 2.0.

Contrairement aux autres concepts, NanoHack 2.0 est composé d'une structure monobloc solide et hermétique, qui doit être imprimée en 3D avec PLActive pour fournir une protection maximale contre l'environnement extérieur. Pour rendre le masque étanche, le cadre est scellé avec un bord imprimé en 3D avec MDFlex, un TPU antimicrobien.

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Image 3 : Design masque NanoHack 2.0. Source : Copper 3D.

Considérations techniques

Le masque NanoHack est un dispositif créé dans le but d'offrir une protection contre les particules dans l'air et d'empêcher la propagation de liquides qui contaminent les voies respiratoires.

Grâce à des études sur l'efficacité des masques faits maison, il a été détecté que les matériaux de filtre NanoHack (polypropylène non tissé, le même matériau utilisé dans les masques chirurgicaux), atteignent une efficacité de filtration de 96,4 % pour les micro-organismes de 1 micron et 89,5 % pour les micro-organismes de 0,02 micron.

Selon une étude de la FDA des États-Unis, le design des masques chirurgicaux courants ne permet pas une protection complète contre les germes et autres contaminants en raison de leur ajustement lâche. De plus, les masques chirurgicaux sont des dispositifs à usage unique qui doivent être éliminés en toute sécurité. Les autorités sanitaires recommandent de placer ces articles dans un sac en plastique et de les jeter ; ainsi que de se laver les mains après avoir manipulé le masque usagé. Des recherches publiées précédemment ont indiqué que la charge virale élevée restante dans les masques chirurgicaux et respirateurs peut être une source de transmission virale tant pour la personne portant le masque et les respirateurs que pour les autres. Cela peut arriver quand les soignants touchent leur masque et ne se lavent pas les mains ensuite ou quand ils jettent le masque sans précautions d'élimination appropriées. De plus, les pathogènes négligés par les respirateurs chirurgicaux chez les patients en salle d'opération augmentent le risque d'infections nosocomiales (infections acquises pendant un séjour à l'hôpital). Pour toutes ces raisons, le masque NanoHack utilise un polymère recyclable et biocompatible qui contient un nanocomposite de cuivre qui a montré des propriétés antimicrobiennes : PLActive.

À propos de l'activité antimicrobienne du cuivre, on peut dire qu'elle inhibe les capacités de réplication et de propagation du SARS-CoV, de la grippe et d'autres virus respiratoires. C'est parce qu'ils ont un fort potentiel antimicrobien (antiviral et antibactérien).

Image 4 : Activité antivirale du cuivre. Source : Copper 3D.

Ainsi, comme le cuivre peut inactiver des virus comme le SARS-CoV, le virus de la grippe, H1N1, et éliminer des bactéries dangereuses comme Staphylococcus aureus, Escherichia coli ou Listeria parmi d'autres, après une courte période d'exposition. Les filaments PLActive et MDflex du fabricant Copper3D sont une stratégie complémentaire efficace et peu coûteuse pour aider à réduire la transmission de diverses maladies infectieuses en limitant la transmission infectieuse nosocomiale.
NanoHack a été conçu comme un masque facial antimicrobien adapté à l'impression 3D FDM et fabriqué avec des matériaux actifs. Pour son montage, des filtres en polypropylène non tissé actifs (3 couches) doivent être utilisés pour obtenir une protection supplémentaire contre les micro-organismes.

Selon l'étude de Borkow G. (Neutralisation des virus en suspension utilisant des filtres à base d'oxyde de cuivre. Agents antimicrobiens et chimiothérapie), un filtre en tissu non tissé imprégné d'oxyde de cuivre est capable de générer des filtres antiviraux de différents types, y compris les virus respiratoires.

Image 5 : Design des filtres du masque NanoHack 2.0. Source : Copper 3D.

Pour une protection optimale contre l'environnement, il est recommandé d'utiliser le filtre en polypropylène non tissé à triple couche avec nanocomposites de cuivre développé par The Copper Company.

Image 6 : Tableau de réduction de charge virale avec filtres aux particules de cuivre. Source : Copper 3D.

Image 7 : Images au microscope électronique à balayage de fibres de polypropylène imprégnées d'oxyde de cuivre. Source : Copper 3D.

En cas de ne pas avoir accès à ce type de filtre, une étude d'Anna Davies analyse l'efficacité de filtres de différents matériaux comme les filtres d'aspirateur et les fibres comme le coton ou la soie :

Image 8 : Tableau d'efficacité de différents matériaux comme filtre. Source : Copper 3D.

Recommandations d'utilisation

L'objectif de NanoMask 2.0 est d'offrir à la population une protection contre les particules dans l'air et d'éviter la propagation d'aérosols liquides qui pourraient contaminer les voies respiratoires. Veuillez noter qu'il n'est pas un masque N95. C'est un masque facial et ne doit pas être considéré comme un EPI homologué.

En ce qui concerne les professionnels de santé, ce dispositif doit être utilisé en dernier recours : Intubations, ventilation mécanique, bronchoscopies ou procédures similaires ne doivent pas être manipulées.

Ce masque est conçu pour être utilisé dans des espaces communs, pour un maximum de 8 heures, et changer le filtre non tissé une fois par jour. Après avoir manipulé le filtre actif, vous devez vous laver les mains et suivre les précautions recommandées par les autorités sanitaires.

Les conseils de nettoyage pour NanoMask sont les suivants :

1. Lavage : L'appareil doit être lavé avec de l'eau et du savon.
2. Rinçage : Une fois lavé, il doit être bien rincé à l'eau propre.
3. Désinfecter : L'équipement doit être désinfecté pour inactiver tout pathogène restant. Pour cela, une désinfection chimique doit être utilisée, pas un autoclave, car PLActive ne tolère pas 80 °C ou plus. Les méthodes chimiques et germicides les plus accessibles sont présentées ci-dessous :
1. Méthode 1 : L'alcool est efficace contre le virus de la grippe. L'alcool éthylique (70 %) est un puissant germicide à large spectre et est généralement considéré comme supérieur à l'alcool isopropylique. Comme l'alcool est inflammable, limitez son utilisation comme désinfectant de surface aux petites surfaces et utilisez-le uniquement dans des espaces bien ventilés.
2. Méthode 2 : La plupart des solutions d'eau de Javel domestiques contiennent 5 % d'hypochlorite de sodium (50 000 parties par million de chlore disponible). Dilution recommandée : une dilution 1:100 d'hypochlorite de sodium à 5 % est la recommandation habituelle. Utilisez 1 partie d'eau de Javel pour 99 parties d'eau du robinet froide (dilution 1:100) pour désinfecter les surfaces. Ajustez le ratio eau de Javel/eau si nécessaire pour obtenir la concentration adéquate d'hypochlorite de sodium. Par exemple, pour des préparations d'eau de Javel contenant 2,5 % d'hypochlorite de sodium, utilisez deux fois plus d'eau de Javel (c.-à-d. 2 parties d'eau de Javel pour 98 parties d'eau).
4. Rinçage : Si on utilise une désinfection chimique, rincer avec de l'eau stérile ou propre (c.-à-d. eau bouillie 5 minutes et refroidie). L'eau stérile est préférée pour rincer le désinfectant chimique liquide résiduel d'un dispositif respiratoire qui a été chimiquement désinfecté pour réutilisation, car l'eau du robinet ou distillée peut abriter des micro-organismes qui peuvent causer une pneumonie. Cependant, quand le rinçage à l'eau stérile n'est pas faisable, à la place, rincer avec de l'eau du robinet ou filtrée (c.-à-d. eau passée à travers un filtre de 0,2 μ). La désinfection par immersion est recommandée avec un temps de contact de 30 minutes.
5. Séchage de l'équipement : Suivez l'étape précédente par un rinçage à l'alcool et un séchage à l'air forcé.
6. Stockage : Stocker l'équipement sec dans des emballages fermés.

NanoHack 2.2

Copper3D a récemment publié une mise à jour du masque NanoHack 2.0 ; le NanoHack 2.2.

Comme son prédécesseur, le NanoHack 2.2 est composé d'une structure monobloc. Dans cette nouvelle version, il est fait de 3 parois constantes sans angles pour renforcer la structure du dispositif. De plus, deux options sont offertes pour la structure de filtre interne : Voronoï ou Gyroïde.

Le temps d'impression total pour NanoHack 2.2 est de 4 heures et demie.

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Image 9 : Design masque NanoHack 2.2. Source : Copper 3D.

Les masques NanoHack 2.0 et NanoHack 2.2 sont conçus pour s'adapter à un visage de 12 cm de haut, mesuré du bout du menton au plan des yeux (ligne horizontale qui passe juste entre les yeux) et une distance entre les pommettes (mesurée directement sur le nez) aussi de 12 cm. Si votre visage est plus petit ou plus grand que ces mesures, il est suggéré de redimensionner le modèle de 5 % ou 10 % pour qu'il s'adapte parfaitement à votre visage.