Efficacité de filtration des masques médicaux et communautaires utilisant des bioaérosols viraux et bactériens

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7115 (2023) Citer cet article

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Les masques faciaux sont souvent recommandés dans les milieux communautaires pour prévenir la transmission aérienne de virus ou de bactéries respiratoires. Notre premier objectif était de développer un banc expérimental pour évaluer l'efficacité de filtration virale (EFV) d'un masque avec une méthodologie similaire à la mesure normative de l'efficacité de filtration bactérienne (EFB) utilisée pour déterminer les performances de filtration des masques médicaux. Ensuite, en utilisant trois catégories de masques de qualité de filtration croissante (deux types de masques communautaires et un type de masque médical), les performances de filtration mesurées variaient de 61,4 à 98,8% de BFE et de 65,5 à 99,2% de VFE. Une forte corrélation (r = 0,983) entre l'efficacité de la filtration bactérienne et virale a été observée pour tous les types de masques et pour une même taille de gouttelettes dans la gamme 2-3 µm. Ce résultat confirme la pertinence de la norme EN14189:2019 utilisant des bioaérosols bactériens pour évaluer la filtration des masques, pour également extrapoler les performances des masques quelle que soit leur qualité de filtration vis-à-vis des bioaérosols viraux. En effet, il apparaît que l'efficacité de filtration des masques (pour des tailles de gouttelettes micrométriques et des temps d'exposition aux bioaérosols faibles) dépend principalement de la taille de la gouttelette en suspension dans l'air, plutôt que de la taille de l'agent infectieux contenu dans cette gouttelette.

La transmission des particules d'aérosols est l'une des principales voies de transmission des agents infectieux respiratoires. Il est défini comme le passage de micro-organismes pathogènes (bactéries ou virus) d'une source à une personne à partir d'aérosols infectieux libérés lors d'événements expiratoires générant des aérosols, tels que la respiration, la toux, la parole, le chant et les éternuements1. Par exemple, un seul éternuement peut libérer jusqu'à 40 000 particules d'aérosol2. D'un point de vue physique, le terme « aérosol » correspond à un mélange hétérogène de particules en suspension dans l'air, solides ou liquides, en suspension dans un gaz et ayant une vitesse de sédimentation relativement faible3 (c'est-à-dire typiquement des particules en suspension dans l'air de diamètre aérodynamique inférieur à 100 µm). Or, dans la littérature médicale depuis des décennies, on trouve fréquemment une distinction, apparaissant arbitraire (et trompeuse pour un spécialiste des aérosols), entre les particules « en suspension » inférieures à 5 µm de diamètre et les « gouttelettes » supérieures à 5 µm de diamètre3 Cette confusion, issue du langage médical traditionnel, a parfois créé des distinctions terminologiques scientifiquement infondées entre la transmission dite « aérienne » et « par gouttelettes ».En effet, si les gens peuvent inhaler des particules d'aérosols (de taille variable dans l'espace et dans le temps car ce sont toujours des phénomènes dynamiques et transitoires), principalement constitués de gouttelettes contenant des agents pathogènes (provenant des sécrétions et des excréments corporels), nous respirons toujours des particules liquides en suspension dans l'air quelle que soit leur taille4.

Ainsi, en termes physiques, la transmission des agents pathogènes respiratoires se fait dans les deux cas (transmission « aéroportée » et « gouttelettes ») par des tailles variables de particules d'aérosols5. Autrement dit, que la transmission du pathogène soit dite « aérienne » ou « gouttelette », elle ne peut se faire que par aérosol dans tous les cas. Cependant, il est vrai que le mode de transmission et les mesures de contrôle peuvent varier en fonction des caractéristiques physiques des particules d'aérosol (notamment leur diamètre aérodynamique évoluant dans l'espace et dans le temps). D'une part, si un agent pathogène infectieux se propage principalement par la sédimentation rapide de particules d'aérosols respiratoires appelées « gouttelettes », les principales mesures de contrôle de la transmission consistent à réduire le contact direct, la distance physique ou l'utilisation de masques faciaux. D'autre part, le cas d'un agent pathogène infectieux dont la transmission est principalement dite "aérienne" nécessite des mesures de précaution telles que la ventilation de la pièce, la filtration de l'air ou une attention à la qualité et à l'ajustement du masque facial à l'intérieur.

De plus, il est bien reconnu que la prévention de l'infection par des agents pathogènes aéroportés (par exemple, la grippe, la tuberculose, la rougeole ou le coronavirus) peut être facilitée par l'utilisation d'un couvre-bouche3. Par conséquent, l'utilisation d'un masque facial est actuellement recommandée pour prévenir la transmission de maladies respiratoires pour le personnel médical, les patients contagieux et, dans certains cas, la population générale. Évidemment, n'importe quel masque vaut mieux que pas de masque, notamment en termes de protection des autres. Le port d'un masque retient une proportion relativement importante des gouttelettes virales émises par le porteur du masque, offrant ainsi un haut degré de protection contre l'émission de bioaérosols. Bien que les masques soient conçus pour retenir principalement les particules d'aérosol micrométriques chargées d'agents pathogènes lors de l'expiration, ils offrent également probablement un certain degré d'autoprotection pendant l'inhalation (généralement beaucoup moins en raison du rétrécissement des particules d'aérosol liquide entre l'expiration et l'inhalation). Tout bien considéré, les masques faciaux contribuent de manière significative à réduire le risque d'infection pour les personnes à proximité et peuvent également réduire le risque d'infection pour le porteur du masque, en particulier si l'agent pathogène est transmis par des particules d'aérosol plus grosses. Par exemple, la compréhension au XIXe siècle sur la contagion de la tuberculose causée par l'agent pathogène Mycobacterium tuberculosis a permis de limiter sa propagation en développant le premier masque couvrant le nez et la bouche6,7. Il a été bien démontré que les masques faciaux portés par les patients infectés par la tuberculose pouvaient réduire considérablement les taux de transmission aux patients non infectés8.

Plus récemment, la pandémie mondiale de coronavirus (COVID-19) a posé la question de la transmission des maladies respiratoires virales. Au début de la pandémie, les premières études épidémiologiques et virologiques ont favorisé la transmission par gouttelettes et par surface. Par la suite, de nombreuses études ont montré que la transmission par de fines particules d'aérosol contenant des particules virales viables représente l'une des principales voies de transmission du syndrome respiratoire aigu sévère Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) dans les environnements intérieurs mal ventilés1,9,10. Très tôt, compte tenu de la connaissance des maladies aéroportées, les Centers for Disease Control and Prevention (CDC) et l'Organisation mondiale de la santé (OMS) ont préconisé l'utilisation universelle du masque pour réduire le risque de transmission du SRAS-CoV-211. Les masques étaient indiqués pour prévenir les autres en limitant l'exhalation de gouttelettes respiratoires potentiellement infectieuses contenant le SRAS-CoV-2 dans le flux d'air, mais aussi pour protéger le porteur dans de nombreux cas3. L'émergence du COVID-19 a ainsi confirmé l'efficacité du masque. En effet, les preuves accumulées montrent que les masques faciaux sont une barrière essentielle, réduisant le nombre de virus infectieux dans l'air expiré, en particulier chez les personnes asymptomatiques ou pré-asymptomatiques12,13,14. Une étude de Bagheri et al. (2021) ont montré que si une personne non infectée porte un masque chirurgical et qu'une personne infectée parle sans masque, le risque maximal atteint dans ce cas est de 90 % après 30 min pour la personne non infectée. Cependant, si les deux personnes portent des masques chirurgicaux, le risque maximum est inférieur à 30 % même après une heure15.

Parmi les différentes catégories de masques faciaux, les masques faciaux médicaux (MFM) sont des dispositifs médicaux à usage unique spécialement conçus pour empêcher la diffusion de bioaérosols du porteur dans l'environnement. Ils sont réglementés par des normes spécifiques telles que la norme européenne EN14683:201916 et doivent donc répondre à des exigences de performance, notamment en termes d'efficacité de filtration bactérienne (BFE). Les MFM sont classés en deux types en fonction de leurs valeurs BFE. Masques de type I (BFE ≥ 95 %) et masques de type II/IIR (BFE ≥ 98 %). En revanche, les masques faciaux communautaires (CFM) ou les masques en tissu se présentent sous différentes conceptions et sont fabriqués avec une grande variété de tissus et bien qu'ils ne soient pas aussi efficaces que les MFM. Les CFM ne sont pas conçus pour être utilisés dans un environnement nécessitant un haut niveau de protection sanitaire. De nombreuses études réalisées sur les CFM ont montré que diverses caractéristiques des tissus (type de matière, type de tissu (tissé ou tricoté), caractéristiques des fibres) peuvent influencer leur filtration17,18. Les CFM peuvent être considérés comme de simples masques anti-pulvérisations et sont généralement réutilisés par lavage. Contrairement aux MFM qui sont strictement réglementées et certifiées, les CFM ne sont ni standardisées ni strictement réglementées. Actuellement les CFM sont destinés à la population générale et divisés en deux catégories selon leur capacité à filtrer les particules d'une taille de 3 ± 0,5 μm. Selon l'exigence AFNOR SPEC S76-00119, les CFM de catégorie 1 doivent avoir une efficacité de filtration supérieure à 90%, alors que les CFM de catégorie 2 doivent avoir une efficacité de filtration supérieure à 70%.

La filtration par masque repose sur différents mécanismes : sédimentation gravitaire, impaction inertielle, interception, diffusion et attraction électrostatique20. En raison de l'effet significatif de nombreux facteurs sur les performances du filtrage du masque (et principalement le type de masque, CFM vs MFM par exemple), la clarification du mécanisme de pénétration des bioaérosols dans le masque revêt une grande importance. Le premier mécanisme dominant est la filtration des gouttelettes chargées d'agents pathogènes directement à travers le matériau filtrant. Cette première étape dépend principalement de la taille et de la vitesse de la gouttelette en suspension dans l'air pour une conception de matériau filtrant donnée. Mais lorsque des particules de liquide aérosol contaminé atteignent la surface externe du masque, si la surface ne détruit pas l'agent pathogène initialement contenu sur celle-ci, des micro-organismes peuvent alors pénétrer dans le masque lors de la respiration par divers mécanismes (dont les capillaires)20. Cette deuxième étape dépend principalement de la taille et du nombre d'agents pathogènes accumulés à la surface externe du masque si le temps d'exposition est suffisamment long pour une conception de matériau filtrant donnée. Ainsi, un masque peut souvent devenir un collecteur d'agents pathogènes, en particulier lorsque sa surface externe est exposée à des particules d'aérosols contaminées. Les virus et les bactéries pouvant rester à la surface du masque, voire dans la structure textile des masques, il est évidemment dangereux et indésirable qu'ils puissent migrer à travers le masque une fois la filtration des particules d'aérosol liquide par le matériau filtrant réalisée.

La détermination des capacités de pénétration et de propagation des micro-organismes à travers le masque apparaît donc comme un enjeu majeur pour évaluer la protection apportée par le masque. Il est essentiel d'analyser la filtration des bioaérosols via le prisme du transport des pathogènes contenus dans les vecteurs liquides aéroportés à travers le masque, plutôt que de s'arrêter uniquement à l'étude de la filtration de ces particules d'aérosols à la surface du matériau filtrant. Ce travail a été réalisé dans le but d'étudier, pour une taille fixe de particules de liquide aérosol (dans la gamme de diamètre aérodynamique entre 2 et 3 µm), et pour différentes qualités de masque (un MFM, un CFM avec d'excellentes performances, et un CFM avec une faible efficacité de filtration), l'impact de la taille de l'agent pathogène (un virus de 100 nm ou une bactérie de 1 µm) sur la pénétration à travers le masque. En d'autres termes, les MFM étant évaluées à l'aide de bioaérosols bactériens et non viraux, cette étude permet d'étudier si une extrapolation (pour une taille de vecteur aérosolisée fixe de quelques microns de diamètre aérodynamique) peut facilement être réalisée entre l'Efficacité de Filtration Bactérienne (BFE) et l'Efficacité de Filtration Virale (VFE).

Dans cette étude, trois types de masques ont été testés : 2 CFM (Société Oriol & Fontanel, CFM type 1, France ; Société CJ Textile, CFM type 2, France), et une MFM (Société Bioserenity, type IIR, France) (Tableau 1). Les mesures ont été effectuées sur des échantillons de masques d'une taille minimale de 100 mm sur 100 mm, toutes couches confondues. Conformément à la norme EN14683:2019, les masques ont été préconditionnés à 21 ± 5 °C et 85 ± 5 % d'humidité relative pendant 4 h pour atteindre l'équilibre atmosphérique avant le test. Des expériences ont été réalisées sur au moins cinq échantillons pour chaque type de masque avec l'intérieur du masque en contact avec des agents pathogènes en suspension dans l'air.

Les analyses de microscopie ont été réalisées à l'aide d'un microscope Leica DM LB avec un modèle de lentille C Plan. Les images ont été prises avec un Bresser MikroCam SP 5.0 à un grossissement de 4×. La microscopie électronique à balayage (SEM) a été réalisée sur les surfaces des masques à l'aide d'un JEOL JSM-6500F. Les échantillons ont été montés sur un support en laiton avec du ruban de carbone double face et recouverts de 14 nm d'or (Quorom Q 150R ES). Les images ont été prises avec une tension d'accélération de faisceau de 5 keV. Pour les matériaux non tissés (tels que le soufflage à l'état fondu de MFM), les fibres sont orientées de manière aléatoire. En revanche, les matériaux tissés et tricotés (tels que les couches de CFM) contiennent des fils (faisceaux de fibres) qui sont entrelacés les uns aux autres. Les pores sont formés aux interstices des fils pour les tissus tissés et tricotés tandis qu'ils sont formés par de petits espaces entre les fibres individuelles dans les filtres non tissés. Les espaces entre les fils étaient considérés comme les pores des masques communautaires. Bien que la forme et la taille des pores des masques faciaux communautaires ne soient pas uniformes, nous avons essayé d'extraire des informations quantitatives sur la taille des pores inter-fils en mesurant la dimension la plus longue de chaque pore inter-fils. Ces mesures ont fourni une estimation de la taille d'un pore inter-fils dans chaque masque facial communautaire (tableau 1).

L'évaluation du BFE a été réalisée selon la norme EN14683:2019 (6) en utilisant une procédure expérimentale préalablement développée puis validée17,21,22. Le banc d'essai utilisé était conforme aux spécifications de la norme avec des adaptations mineures (ex : taille de la chambre aérosol) qui ne nous ont pas empêché d'obtenir une accréditation par un organisme extérieur prouvant la validité des mesures pour l'obtention du marquage CE. La configuration expérimentale est illustrée à la Fig. 1. En bref, un flux d'aérosol contenant une charge connue de Staphylococcus aureus (ATCC 6538 à 106 UFC/mL avant dilution) est généré à l'aide d'un nébuliseur à mailles vibrantes (E-flow, PARI GmbH, Starnberg, Allemagne). Ensuite, le bioaérosol aspiré à travers une chambre aérosol en verre (445 mm de long et 60 mm de diamètre extérieur) à l'aide d'une pompe à vide à un débit constant de 28,3 L min-1. Des échantillons de masque sont fixés entre la chambre d'aérosolisation et un impacteur en cascade Andersen viable à six étages (ACI, Tisch environnemental, Miami, États-Unis). L'ACI a conduit à collecter et classer les bioaérosols en 6 fractions granulométriques (allant de 7 µm pour le premier étage à 0,65 µm pour le sixième étage) selon leur inertie et par conséquent leur diamètre aérodynamique. Une boîte de Pétri en plastique de 90 mm, contenant du milieu de culture gélosé, utilisée comme plaque d'impacteur est placée à chaque étage ACI pour recueillir les bactéries en suspension dans l'air pour chaque fraction de taille aérodynamique. La norme EN14683:2019 impose deux spécifications principales pour la procédure normative BFE : (i) un nombre moyen d'UFC pour tous les stades ACI entre 1700 et 3000 UFC, (ii) une taille moyenne de particules (MPS) de 3,0 ± 0,3 µm. Évidemment, ces deux spécifications d'aérosols (MPS et UFC totales) ne peuvent être valables que pour des essais de contrôle positif (car en présence d'un masque, si la filtration est très efficace, il est possible et fréquent qu'aucune ou très peu de bactéries ne traversent le masque et atteignent l'impacteur en cascade pour mesurer le MPS et les UFC totales). Le paramètre MPS est calculé à l'aide des diamètres de coupure efficaces à 50 % suivant l'équation. (1).

Le montage expérimental BFE selon la norme EN14683:2019. (1) nébuliseur, (2) chambre aérosol, (3) matériel d'échantillonnage, (4) impacteur en cascade, (5) filtre, (6) débitmètre, (7) pompe à vide.

Calcul de la taille moyenne des particules (MPS). (Px, x = [1–6]) est le diamètre des particules correspondant à une efficacité d'échantillonnage de 50 % de chacune des six étapes et (Cx, x = [1–6]) est le nombre de particules viables obtenues à partir de chacune des six boîtes de Pétri.

Un cycle de mesure pour un type de masque comprend huit tests successifs. Dans un premier temps, un contrôle positif est réalisé sans la présence d'un masque placé entre l'ACI et la chambre aérosol. Ce contrôle positif a été utilisé pour déterminer le nombre de particules viables utilisées dans chaque test (et donc pour vérifier que la spécification requise par la norme EN14683:2019 se situe dans la plage de 1700 à 3000 UFC). Ensuite, cinq expériences sont réalisées pour mesurer l'efficacité de filtration des masques (c'est-à-dire des échantillons de test), en changeant le masque pour chaque expérience à l'entrée de l'impacteur en cascade ACI. Ensuite, une deuxième expérience de contrôle positif est réalisée. Enfin, ce cycle de huit expériences consécutives se termine par un contrôle négatif consistant à faire passer de l'air, sans ajouter d'agents pathogènes, pendant 2 min (cela sert de contrôle de contamination pour vérifier que des bactéries/virus se sont déposés lors de l'exécution positive et que les échantillons à tester provenaient uniquement de la source de bioaérosol). Les boîtes de Pétri, capturant les bactéries à chaque étape de l'ACI pour les huit expériences, ont été incubées à 37 ± 2 °C pendant 22 ± 2 h. Les UFC ont été comptées avec un compteur automatique de colonies Scan 4000 (Interscience, Saint Nom la Bretèche, France).

Le test VFE n'est pas une méthode de test standardisée, mais a été adaptée du test BFE décrit dans la norme EN14683:2019 (et de la méthodologie expérimentale dans "Efficacité de filtration bactérienne (BFE)"). L'efficacité de filtration a été mesurée en utilisant le bactériophage phi11 (stock du laboratoire du Centre International de Recherche en Infectiologie, équipe GIMAP, Université de Lyon, Inserm) au lieu de Staphylococcus aureus dans le test BFE. Une suspension dans une solution PBS de phi11 à 108 PFU/mL (PFU pour plaque-forming unit) a été aérosolisée à l'aide d'un nébuliseur à mailles vibrantes (E-flow, PARI GmbH). Le même banc expérimental utilisé pour le test BFE est ensuite utilisé pour effectuer le test VFE comme illustré à la Fig. 1. En bref, le bioaérosol viral aspiré à travers une chambre d'aérosol en verre et un ACI à l'aide d'une pompe à vide, et les échantillons de masque sont attachés entre la chambre d'aérosolisation et l'ACI. Les bactériophages en aérosol ont été capturés dans des boîtes de Pétri remplies de solution saline tamponnée au phosphate (21-040-CV, Corning, Manassas, États-Unis) placées dans les étages ACI (15 ml de PBS par boîte de Pétri). Une évaluation de la viabilité des virus collectés (non neutralisés) à chaque étape de l'ACI est réalisée par comptage des patchs de lyse sur des plaques de gélose au sang Columbia inondées de Staphylococcus aureus RN4220 (souche bactérienne sensible au bactériophage phi11). Les plaques sont ensuite incubées à 37 °C pendant 22 ± 2 h. Le PFU représente le nombre de particules ou de gouttelettes d'aérosol viral. Le cycle de mesure pour chaque type de masque et le calcul du MPS ont été effectués comme décrit pour la méthode BFE. Les PFU ont été comptées manuellement.

L'efficacité de filtration (FE) du masque, exprimée en pourcentage, est calculée selon l'Eq. (2). Le paramètre FE a été déterminé en mesurant le nombre de CFU pour le test BFE (respectivement le nombre de PFU pour le test VFE), passant à travers le matériau du masque par rapport à un témoin positif sans matériau filtrant placé à l'entrée de l'ACI.

où FE est l'efficacité de filtration, C est la moyenne des deux séries positives du total des six comptages sur plaque et T est le total des six comptages sur plaque pour chaque échantillon de test.

Les analyses statistiques ont été effectuées avec GraphPad Prism 9.4.1 (GraphPad Software, San Diego, CA, USA). Un test post-hoc Anova bidirectionnel avec Sidak a été utilisé pour évaluer s'il y avait des différences significatives entre les résultats d'efficacité de filtration de la méthode de test BFE et de la méthode de test VFE. Les valeurs de p < 0,05 étaient considérées comme significatives. Les coefficients de corrélation pour la comparaison de l'efficacité de filtration entre les méthodes de test ont été obtenus à l'aide d'Excel.

Le tableau 2 montre l'efficacité de filtration pour les gouttelettes chargées de bactéries et de virus de taille aérodynamique similaire (c'est-à-dire dans la plage de 2 à 3 µm) et leurs écarts-types pour les trois types de qualité de masque (MFM, CFM1 et CFM2). Tout d'abord, nous observons que le MPS moyen pour le test BFE est légèrement supérieur au MPS moyen obtenu pour le test VFE (2,9 ± 0,1 µm contre 1,9 ± 0,2 µm). Ainsi, un changement de MPS est signalé entre les expériences BFE et VFE, bien que le même banc d'essai ait été utilisé. La source possible de ce changement de MPS peut être induite par une légère modification des caractéristiques physiques de la solution utilisée pour mettre en suspension le virus (pour le test VFE) ou les bactéries (pour le test BFE) avant d'être aérosolisée. En effet, il est bien connu que les caractéristiques de la solution (par exemple la viscosité ou la concentration en protéines) jouent un rôle clé dans le processus de génération d'aérosol et le devenir des particules d'aérosol.

Malgré cette différence d'environ 1 µm pour le MPS (c'est-à-dire la taille des gouttelettes chargées de micro-organismes) pour les tests BFE et VFE, nous soutenons la conclusion que les propriétés aérodynamiques des gouttelettes sont très similaires dans cette gamme de 2 à 3 µm en termes d'efficacité de filtration du masque (autrement dit, cette légère différence de taille de gouttelettes n'a pas d'impact sur l'efficacité de filtration résultante). C'est strictement le cas lorsque la distribution de la taille des vecteurs culmine entre 2 et 3 microns. Mais avoir un MPS dans la plage de 2 à 3 microns ne garantit pas que la distribution de la taille des vecteurs est concentrée à cette taille. Néanmoins, les données que nous avons déjà publiées sur la distribution en taille des bioaérosols générés par notre banc expérimental pour ces tests, confirment que notre hypothèse est légitime. En effet, il s'agit d'une hypothèse raisonnable basée sur notre expérience de filtrage par masque spectral à l'aide du test BFE18. De plus, l'efficacité de filtration spectrale obtenue avec le test BFE (Fig. 2 et 3) démontre clairement que des performances de filtration bactérienne comparables et élevées sont observées pour MFM et CFM1 pour des plages de vecteurs comprises entre 2 et 3 µm. Sans aucun doute, le CMF2 montre une réduction significative de l'efficacité de la filtration bactérienne à partir d'une taille de particules de 2,1 µm (Figs. 2 et 3). Ces résultats confirment notre hypothèse précédente selon laquelle la légère différence de taille de gouttelettes entre les tests BFE et VFE, le MPS restant globalement dans la plage de 2 à 3 µm pour les deux tests, n'a pas d'impact significatif sur l'efficacité de filtration du masque (Figs. 2 et 3). Par ailleurs, des conclusions assez similaires sont observées pour l'efficacité de filtration spectrale obtenue avec le test VFE (Fig. 4), avec une excellente efficacité de filtration globale quelle que soit la taille du vecteur pour MFM et une efficacité de filtration qui diminue avec la taille du vecteur pour CFM1 et CFM2 (bien que la différence de performance de filtration entre CFM1 et CFM2 soit moins lisible dans le cas des mesures VFE par rapport aux mesures BFE, en raison d'un écart type plus important de la mesure).

(À gauche) Schéma d'un ACI viable en six étapes (jaune). Les particules en suspension dans l'air (rouge) sont aspirées à l'intérieur de l'impacteur en cascade avec un débit de 28,3 L/min (flèche bleue). Chaque étape de l'ACI contient une boîte de Petri (verte) remplie de gélose nutritive (marron). (À droite) Images d'un test BFE pour chaque étape d'impaction pour les trois types de masques (MFM, CFM1 et CFM2 ; MFM fait référence au masque facial médical, CFM fait référence au masque facial communautaire). d50 fait référence à la taille limite de l'étage de l'impacteur en cascade. Les colonies sur les boîtes de Pétri ont été observées à l'aide d'un compteur de colonies HD.

Efficacité spectrale de filtration bactérienne (exprimée en %) en fonction du diamètre aérodynamique des particules (exprimé en µm) pour les trois types de masques (MFM, CFM1, CFM2 ; MFM désigne le masque médical et CFM désigne le masque communautaire) ; valeurs expérimentales (N = 5), moyenne avec écart-type.

Efficacité spectrale de filtration virale (exprimée en %) en fonction du diamètre aérodynamique des particules (exprimé en µm) pour les trois types de masque (MFM, CFM1, CFM2 ; MFM désigne le masque médical et CFM désigne le masque communautaire) ; valeurs expérimentales.

En ce qui concerne les résultats BFE (tableau 2), les masques médicaux affichent des valeurs supérieures à 98 % (en bonne conformité avec la spécification de type IIR selon EN14683:2019). Les masques communautaires présentent une efficacité de filtration bactérienne inférieure par rapport au MFM égale à 89,7 ± 3,6% pour le CFM1, et 61,4 ± 1,2% pour le CFM2. On peut remarquer que l'efficacité de filtration bactérienne obtenue pour les deux types de masques communautaires respecte relativement bien la limite PFE de 90% pour le CFM type 1 et de 70% pour le CFM type 2.

Concernant le test VFE, les résultats démontrent clairement une bonne corrélation entre l'efficacité de filtration bactérienne et virale pour les différentes qualités de masques testés. En comparant les résultats des deux méthodes (Fig. 5), on peut conclure que les tests VFE et BFE convergent vers des valeurs similaires quelle que soit la qualité du masque (MFM, CFM type 1 ou CFM type 2). En effet, la comparaison statistique des deux tests n'a montré aucune différence significative (p > 0,05). Les valeurs BFE étaient sans aucun doute corrélées aux valeurs VFE puisque les résultats (Fig. S1 supplémentaire) ont montré une bonne corrélation (r = 0, 983) entre les deux méthodes pour une gamme similaire de taille de gouttelettes aérodynamiques dans la gamme de 2 à 3 µm. Cependant, nous devons être prudents compte tenu du nombre très limité de points dans le diagramme de corrélation (n = 3), la signification statistique de ce résultat est limitée.

Valeurs d'efficacité de filtration (exprimées en %, telles que définies dans l'équation 2 de "Calcul de l'efficacité de filtration") entre les méthodes d'efficacité de filtration bactérienne (BFE) et d'efficacité de filtration virale (VFE) pour les différents types de masques évalués dans cette étude (MFM, CFM1 et CFM2 ; MFM fait référence au masque facial médical, CFM fait référence au masque facial communautaire). ns pas significativement différent ; valeurs expérimentales (N = 5), moyenne avec écart-type.

La filtration des gouttelettes d'aérosol à travers un masque facial est régie par deux mécanismes principaux (Fig. 6). Le premier mécanisme est la filtration directe de gouttelettes micrométriques chargées en pathogènes par le matériau filtrant du masque. Cette première étape dépend principalement de la taille du vecteur de transmission (c'est-à-dire des gouttelettes de l'ordre de 2 à 3 µm dans notre cas). Le deuxième mécanisme consiste en le transport de l'agent pathogène, par voie aérienne ou après dépôt des gouttelettes sur la surface du masque, à travers le masque. Cette deuxième étape dépend principalement de la taille et du nombre de pathogènes (taille micrométrique pour les bactéries, 100 nm pour les virus) accumulés sur la surface externe et dans la structure textile du masque. En effet, l'accumulation d'agents pathogènes sur le masque peut conduire à leur pénétration à travers le masque pendant un temps d'exposition suffisamment long. Plus la fréquence respiratoire de la personne exposée est élevée, plus la pénétration des micro-organismes est importante.

Mécanismes de pénétration des aérosols. (1) Filtration des gouttelettes chargées d'agents pathogènes directement à travers le matériau filtrant. (2) Migration à travers le matériau filtrant des agents pathogènes accumulés à la surface du masque.

Les résultats montrent que le premier mécanisme de filtration est incontestablement prédominant sur l'efficacité de filtration d'un masque, quelle que soit sa qualité (MFM, CFM type 1 ou type 2). En effet, nous avons démontré que des efficacités de filtration similaires sont obtenues pour une même gamme de gouttelettes (dans la gamme 2-3 µm) et ce quelle que soit la taille de l'agent pathogène utilisé (bactérie versus virus). Ainsi, de ces données originales, on peut conclure que l'efficacité de filtration du masque (quelle que soit la qualité du masque) dépend principalement de la taille du vecteur contenant l'agent pathogène, et non de la taille de l'agent pathogène lui-même. De manière pragmatique, ces résultats confirment également que l'utilisation de l'EN14683:2019 (utilisant des bioaérosols bactériens) pour évaluer les performances des masques médicaux peut être extrapolée avec confiance en termes d'efficacité de filtration du masque contre les bioaérosols viraux (pour une même taille de vecteur aérosolisé dans la gamme d'environ 2 à 3 µm). Par ailleurs, en plus des mécanismes de filtration/pénétration des aérosols, pour bien évaluer le facteur de protection d'un masque facial, la littérature a également montré que d'autres facteurs sont importants, comme notamment la fraction qui fuit pour les masques lâches tels que ceux présentés dans cette étude.

Cependant, il convient également d'être prudent car le test réglementaire EN14683:2019 est réalisé sur des temps d'exposition courts (1 min d'exposition du masque au bioaérosol lors de la nébulisation, suivie de 1 min de contact entre pathogènes à la surface du masque avec un débit de 28,3 L/min). Comme indiqué précédemment, le temps d'exposition est un paramètre très important pour le deuxième mécanisme de filtration décrit dans la Fig. 5. Ainsi, il n'est pas impossible que la conception du test réglementaire EN14683:2019 favorise principalement l'évaluation du premier mécanisme de filtration (filtration des gouttelettes chargées d'agents pathogènes) par rapport au deuxième mécanisme de filtration (transport d'agents pathogènes à travers le masque). Des études futures, modifiant les conditions imposées par le cadre réglementaire EN14683:2019, pourraient être entreprises pour évaluer l'efficacité de la filtration bactérienne ou virale sur des temps d'exposition plus longs (c'est-à-dire supérieurs aux 2 min imposées par EN14683:2019), afin d'examiner plus avant l'impact potentiel du second mécanisme de filtration sur l'efficacité de filtration des masques faciaux dans des conditions expérimentales qui lui seraient éventuellement plus favorables (saturation plus élevée des agents pathogènes de la surface externe du masque par les micro-organismes, durée plus élevée pour permettre plus de transport d'agents pathogènes à travers le masque).

Pour de nombreux épidémiologistes ainsi que pour les agences de santé et l'OMS, le seuil de 5 µm est utilisé pour faire la distinction entre la transmission par voie aérienne et par gouttelettes. La transmission par gouttelettes serait causée par des particules de plus de 5 µm de diamètre, tandis que seules les particules de moins de 5 µm permettraient la transmission dans l'air. Mais d'un point de vue physique, cette valeur de 5 µm est essentiellement arbitraire et n'a pas de signification particulière. Ainsi, il n'y a pas de "véritable" limite de taille aérodynamique entre ces deux modes de délivrance d'agents pathogènes (transmission par voie aérienne ou par gouttelettes).

Le VFE est un test non réglementaire d'évaluation de la filtration du masque qui dans notre étude a donné des valeurs assez similaires (pour des gammes de gouttelettes dans la gamme 2–3 µm) à la valeur BFE standard selon EN14683:2019. Les résultats de nos recherches sont appuyés par d'autres études. Whiley et al. (2020) ont montré que les valeurs VFE des masques chirurgicaux (VFE = 98,5 % contre des aérosols d'une taille moyenne de 2,6 µm) étaient comparables au BFE annoncé par leur fabricant. Nous confirmons ainsi que le test VFE n'est pas plus intéressant que le test BFE en ce qui concerne les portées micrométriques des gouttelettes comme dans notre étude. D'autre part, il peut être intéressant d'utiliser le test VFE pour évaluer les performances des masques contre la transmission aérienne d'agents pathogènes (c'est-à-dire pour les gouttelettes en suspension dans l'air généralement plus petites dans la gamme submicronique). En effet, il est tout simplement impossible de mesurer les performances d'efficacité de filtration contre des bioaérosols submicroniques avec un test BFE, car la taille des bactéries est d'environ 1 micron. Le test BFE est donc parfaitement adapté pour tester l'efficacité des masques de filtration vis-à-vis des gouttelettes micrométriques aéroportées (correspondant plutôt à la « transmission gouttelettes »), mais ne peut jamais être adapté pour évaluer les performances dans le cas des gouttelettes submicrométriques aéroportées (correspondant plutôt à la « transmission aéroportée »). Un VFE est donc le seul test qui pourrait vraiment évaluer la qualité d'un masque par rapport à des vecteurs de taille submicronique. Il serait possible de créer un test VFE en générant des bioaérosols viraux constitués de gouttelettes aéroportées chargées de virus inférieures à 1 µm à l'aide de nébuliseurs spécifiques comme celui que nous avons déjà caractérisé dans une précédente étude et présentant une distribution de diamètre aérodynamique de 0,15 à 0,5 µm.

L'efficacité de filtration bactérienne (BFE) et l'efficacité de filtration virale (VFE) des masques faciaux médicaux et communautaires ont été comparées. Les résultats ont montré une très bonne corrélation entre les deux méthodes de filtration (virale versus bactérienne) pour une gamme de taille de gouttelettes de 2 à 3 µm. Ce résultat confirme la pertinence d'utiliser les résultats de la norme EN14189:2019, utilisant des bioaérosols bactériens, pour évaluer les performances de filtration des masques médicaux vis-à-vis des bioaérosols de micro-organismes viraux pour des tailles de gouttelettes micrométriques. En d'autres termes, la procédure normative EN14189:2019 apparaît plutôt adaptée pour évaluer la filtration des masques vis-à-vis des micro-gouttelettes (cas de la soi-disant « transmission par gouttelettes »), quel que soit l'agent pathogène (bactérie ou virus). En effet, il apparaît que l'efficacité de filtration des masques (pour la taille des gouttelettes de l'ordre de 2 à 3 μm et pour les conditions opératoires fixées par ces procédures normatives et notamment pour les faibles durées d'exposition aux bioaérosols) dépend principalement de la taille de la gouttelette en suspension dans l'air plutôt que de la taille de l'agent infectieux contenu dans cette gouttelette.

Toutes les données principales sont disponibles dans le texte principal ou dans les documents complémentaires. Des informations complémentaires sur les données utilisées dans l'analyse sont disponibles sur demande raisonnable auprès de l'auteur correspondant.

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Les auteurs tiennent à remercier le soutien technique de Sergio SAO-JOAO et Marilyne MONDON pour les acquisitions MEB.

École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, Mines Saint-Etienne, INSERM, U1059 Sainbiose, Centre CIS, Université de Lyon, Université Jean Monnet, 158 Cours Fauriel, CS 62362, 42023, Saint-Etienne Cedex 2, France

Sana Djeghdir, Aurélien Peyron, Gwendoline Sarry, Lara Leclerc, Ghalia Kaouane & Jérémie Pourchez

GIMAP Team, CIRI, Centre International de Recherche en InfectiologieInserm, U1111, CNRS, UMR5308, ENS Lyon, Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, Lyon, France

Aurélien Peyron & Paul O. Verhoeven

Faculty of Medicine, Université Jean Monnet St-Etienne, St-Etienne, France

Paul O. Verhoeven

Service des Agents Infectieux et de l'Hygiène, CHU de St-Etienne, St-Etienne, France

Paul O. Verhoeven

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PV et JP ont conçu l'expérience. SD, JP, GS, LL, GK et AP ont mené les expériences. Tous les auteurs ont contribué à l'analyse et à l'examen des données. SD et JP ont rédigé le manuscrit, et tous les auteurs ont contribué à l'examen du manuscrit.

Correspondence to Jérémie Pourchez.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Djeghdir, S., Peyron, A., Sarry, G. et al. Efficacité de filtration des masques médicaux et communautaires utilisant des bioaérosols viraux et bactériens. Sci Rep 13, 7115 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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Reçu : 08 novembre 2022

Accepté : 27 avril 2023

Publié: 02 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-34283-9

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