機械式フィルター（呼吸器）

粒子状物質用呼吸器の一部である機械式フィルターは、空気浄化式呼吸器マスクに使用されるフィルターの一種で、粒子状物質が着用者の鼻や口に到達するのを機械的に阻止します。機械式フィルターには様々な形状があります。

機械式フィルター式呼吸器は、汚染された空気がフィルター材を通過する際に、木工や金属加工中に発生する粉塵などの微粒子状物質を捕捉します。現在でもフィルター材としてウールが使用されており、プラスチック、ガラス、セルロース、およびこれらの材料の2つ以上を組み合わせたものも使用されています。フィルターは洗浄して再利用することはできず、寿命が限られているため、コストと使い捨て性が重要な要素となります。使い捨てタイプと交換可能なカートリッジタイプがあります。^{[ 3 ]}

機械式フィルターは、以下の方法で空気から汚染物質を除去します。^{[ 4 ] [ 5 ]}

1. 気流中の流れに沿って粒子が繊維の半径内に入り、繊維に付着することによって遮断される。 ^{[ 3 ]}
2. 衝突によって、気流の湾曲した輪郭に沿えない大きな粒子が繊維の1つに直接埋め込まれることを強いられる。これは、繊維の間隔が狭くなり、気流速度が高くなるにつれて増加する^{[ 3 ]。}
3. 拡散と呼ばれる促進メカニズムにより、ガス分子が最小の粒子、特に 直径100 nm以下の粒子と衝突し、それによってフィルターを通過する経路が妨げられ、遅延します。この効果はブラウン運動に似ており、上記の2つのメカニズムのいずれかによって粒子が停止する確率を高めます。これは、空気の流れの速度が低い場合に支配的になります^{[ 3 ]。}
4. エレクトレットフィルター材料（通常は電界紡糸プラスチック繊維）を使用して、静電荷を持つ粒子を引き付けたり反発させたりすることで、粒子がフィルター表面に衝突する可能性を高めます^{[ 4 ] [ 5 ]。}
5. 粒子自体がフィルターを詰まらせ、ろ過効率を高める^{[ 6 ]}

より知られていないメカニズムとしては、以下のようなものがある。

1. 繊維に特定のコーティングを施して、衝突した感染性粒子を殺したり不活性化したりすることによって（塩など）^{[ 7 ]}
2. 重力を利用して粒子をフィルター材に沈降させることにより（この効果は通常無視できる）^{[ 8 ]}

気流と繊維メッシュフィルターによって運ばれる微粒子のみを考慮すると、0.1  μm の粒子径以下では拡散が支配的である。0.4  μm を超えると衝突と遮断が支配的である。その中間では、最も透過性の高い粒子径である 0.3  μm 付近で拡散と遮断が支配的である。^{[ 3 ]}

金属加工作業で使用されるNIOSH認定P95フィルターの断面図。いわゆる「クリーン」な工業プロセスであっても、有害な微粒子状物質を大量に発生させることが多く、呼吸保護具が必要となる。

硬質フィルター式フェイスピース呼吸器マスクは、一般的に8時間の連続使用または断続使用を想定した使い捨て設計となっています。ある研究所では、5回連続装着するとフィット感が低下することが分かりました。^{[ 58 ]}物理的に目詰まりして呼吸ができなくなると、交換する必要があります。

硬質フィルター付きフェイスピース呼吸器マスクは、特に不足しているパンデミック時には再利用されることがあります。SARS-CoV-2 のモデルを使用した研究によると、感染性粒子は使用終了後最大 24 時間マスク上で生存する可能性があります。[ 58 ^{] COVID -} 19 パンデミックでは、米国 CDC は、マスクが不足している場合は、各医療従事者に 5 枚のマスクを支給し、1 日 1 枚ずつ使用して、各マスクを各使用の間に少なくとも 5 日間紙袋に入れて保管することを推奨しました。これを行うのに十分なマスクがない場合は、使用の合間にマスクを滅菌することを推奨しています。^{[ 59 ]}一部の病院は、予防措置として使用済みマスクを備蓄しています。^{[ 60 ]}米国 CDC は、N95 マスクの供給を延ばすためのガイドラインを発行し、再利用よりも長期使用を推奨しました。専門家でさえ意図せず頻繁に行うマスクの汚染された外面に触れることによる感染リスクを強調し、マスクに触れる前に毎回手を洗うことを推奨しました。マスク表面の汚染を減らすために、フェイスシールドの使用と、患者にもマスクを着用してもらうこと（「感染源マスキング」）を推奨した。^{[ 61 ]}

時間以外にも、他の消毒方法が試されています。マスクを電子レンジで加熱したり、蒸気袋に入れて電子レンジで加熱したり、湿った熱に放置したり、紫外線殺菌照射（UVGI）を過剰に照射したりすると、マスクに物理的な損傷が生じることが観察されています。塩素系漂白剤などの塩素系方法は、残留臭や、マスクが湿ったときに塩素が放出される原因となる可能性があり、ある研究では、ノーズパッドが物理的に破損し、漏れが増加する原因となることが示されています。 ^{[ 58 ]}フィット感や快適さは、UVGI、湿熱インキュベーション、電子レンジで発生した蒸気によって損なわれることはないようです。^{[ 58 ]}

一部の方法ではマスクに目に見える損傷は生じないかもしれませんが、マスクのろ過能力を損ないます。これは、石鹸と水に浸す、160 °C (320 °F)まで乾燥加熱する、70%イソプロピルアルコールで処理する、過酸化水素ガスプラズマ^{[ 58 ]} (真空下で電波を使用して生成^{[ 62 ]} ) による滅菌の試みで確認されています。マイクロファイバー上の静電気電荷は、一部の洗浄方法によって破壊されます。UVGI (紫外線)、沸騰水蒸気、乾燥オーブン加熱はフィルター効率を低下させないようで、これらの方法でマスクの除染に成功しています。^{[ 58 ]}  

現在、病院では紫外線殺菌法（UVGI）、酸化エチレン、乾燥オーブン加熱、過酸化水素蒸気が最も一般的な方法とされているが、いずれも適切な試験は行われていない。^{[ 58 ]}マスクが十分に入手できる場合は、マスクをローテーションで使用し、5日間使用せずに放置してから再利用することが望ましい。^{[ 59 ]}

マスクは電離放射線によって滅菌できることも示されています。^{[ 63 ]}ガンマ線と高エネルギー電子は材料の奥深くまで浸透し、短時間で大量のマスクを滅菌するために使用できます。マスクは最大2回まで滅菌できますが、放射線によって表面電荷が失われるため、滅菌のたびに再充電する必要があります。

最近の進展としては、生物学的脅威と化学的脅威の両方を無力化できる複合繊維が挙げられる。^{[ 64 ]}