De meilleurs masques faciaux sont possibles : voici quelques conceptions gagnantes

Un concours en deux parties vise à stimuler l'innovation et à connecter les groupes qui tentent de reconcevoir des masques de haute qualité qui protègent contre le COVID

Les masques de haute qualité appelés respirateurs, tels que les N95 et les KN95, offrent une forte protection contre la propagation du COVID-19. Mais en matière de confort et de commodité, il y a certainement place à l'amélioration. Les masques embuent les lunettes. Les porter pendant des heures d'affilée peut entraîner la transpiration et être inconfortable (surtout dans la chaleur humide de l'été). L'efficacité peut varier beaucoup d'une marque à l'autre. Et lorsque les gens couvrent la moitié de leur visage, il est plus difficile de lire les expressions faciales et d'interagir socialement.

Cette semaine, un projet appelé Mask Innovation Challenge a annoncé les 10 finalistes d'un concours de grande valeur qui vise à soutenir les innovateurs travaillant sur les masques du futur et à connecter ces groupes entre eux.

"Nous voulions vraiment aider à soutenir l'innovation afin de protéger le public américain des urgences de santé publique du futur", explique la scientifique de la santé Kumiko Lippold, responsable du défi du projet. "Ensemble, nous voulions vraiment créer quelque chose qui soit confortable - que vous puissiez porter longtemps et idéalement ne pas réaliser - et qui offre également une protection supérieure et exceptionnelle basée sur des preuves afin que les gens comprennent ce qu'ils portent et pourquoi ils le portent et voudraient le porter."

Le Mask Innovation Challenge est dirigé par Lippold et ses collègues de la Division de la recherche, de l'innovation et des entreprises (DRIVe), qui fait partie de la Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) du Département américain de la santé et des services sociaux. Après le lancement du concours en mars 2021, près de 1 500 soumissions ont rapidement afflué. Pour les réduire à 40 finalistes et 10 gagnants, l'équipe de Lippold et certains experts recrutés comme juges ont examiné quatre critères. Tout d'abord, l'entrée devait donner l'impression qu'elle bloquerait les virus et fonctionnerait dans des situations réelles. Deuxièmement, il devait être innovant. Troisièmement, il devait résoudre des problèmes tels que la buée ou l'inconfort, qui obligent les porteurs à réajuster constamment leur masque. Enfin, il devait avoir un design fort qui donnerait envie aux gens de le porter.

Les 10 designs gagnants variaient considérablement. La plupart provenaient de start-ups, certaines provenaient d'universités et quelques-unes avaient été soumises par de grandes entreprises, dont Amazon. Avec certains masques, l'innovation résidait dans de nouveaux matériaux. Une entrée de l'Université de Georgetown utilise des mousses métalliques légères et respirantes qui filtrent les contaminants avec de minuscules pores. Une start-up appelée 4C Air a créé un filtre semi-transparent pour rendre son masque transparent BreSafe transparent. D'autres participants ont expérimenté de nouvelles méthodes de fabrication et d'ajustement. Le fabricant de jeans Levi Strauss a développé une conception de respirateur à faible coût que, selon la société, tout fabricant de vêtements peut fabriquer, tandis que la start-up Air Flo Labs utilise des scans faciaux en trois dimensions pour s'assurer que son Flo Mask Pro est adapté au visage du porteur. Certaines entrées ont percé en repensant les éléments de conception. Ceux-ci comprenaient le masque Airgami de la start-up Air99, qui intègre des plis de type origami pour étaler le filtre du revêtement sur une plus grande surface, facilitant ainsi la respiration.

Mais Lippold et son équipe n'avaient pas fini. Les gagnants de cet ensemble initial ont été désignés comme Phase 1 du concours, et il faudrait quelques mois pour concevoir une nouvelle structure pour la Phase 2. "Nous ne voulions pas simplement faire de la Phase 2 un exercice similaire à la Phase 1. Nous voulait vraiment créer quelque chose qui répondrait aux besoins des innovateurs », explique Lippold. "Et nous l'avons fait en nous engageant avec [le grand public et] les petites entreprises au fil du temps juste pour vraiment comprendre ce dont elles ont besoin."

Pour la phase 2, DRIVe a rouvert le concours : les gagnants de la phase 1 pouvaient présenter une nouvelle demande, mais les nouveaux participants aussi - et les critères de performance étaient beaucoup plus élevés cette fois-ci. "Nous l'avons structuré d'une manière qui a vraiment poussé les innovateurs à réaliser des changements très révolutionnaires avec leurs produits", déclare Lippold. "Nous ne recherchions pas d'améliorations progressives. Nous recherchions des choses qui allaient vraiment faire bouger l'aiguille." Au cours de cette phase, l'équipe DRIVe s'est associée à deux organisations gouvernementales, l'Institut national pour la sécurité et la santé au travail (NIOSH) et l'Institut national des normes et de la technologie, pour effectuer des tests répétés en laboratoire sur l'efficacité de filtration, la respirabilité et l'ajustement des entrées.

Les organisations ont ensuite fourni les résultats aux concurrents, leur donnant la possibilité de réorganiser et d'améliorer leurs conceptions. "J'ai reçu des retours très positifs de la part des finalistes", déclare Matthew Staymates, ingénieur en mécanique et dynamique des fluides au NIST. Alors que le NIOSH effectuait des tests quantitatifs, tels que la mesure du pourcentage de particules capables de se frayer un chemin à travers le matériau et d'atteindre le porteur, Staymates s'est concentré sur des mesures plus qualitatives. Par exemple, en utilisant une technique d'imagerie qui rend visible le flux d'air, il s'est enregistré en train de respirer, de parler et de tousser tout en étant démasqué ou en portant le prototype d'un participant au défi.

Staymates s'est également enregistré avec une caméra infrarouge, qui détecte l'air chaud lors d'une expiration, pour démontrer à quel point la zone d'un masque filtrait activement son souffle. Et il n'était pas le seul cobaye : il a également testé les masques sur des mannequins construits sur mesure qui "respirent" comme un humain mais émettent un brouillard visible au lieu d'un air transparent. "Ce que j'ai aimé à ce sujet, c'est qu'il s'agit d'un visuel facile à comprendre qui confirme ce que montrent les données quantitatives du NIOSH", déclare Staymates. "Et ces [prototypes de masque] étaient fantastiques. Ils bloquent environ 98, 99 % des gouttelettes qui sortent du mannequin."

Cette semaine, BARDA a nommé les 10 finalistes de la phase 2. Sur les 10 gagnants de la phase 1, seuls les cinq décrits précédemment figuraient sur la liste restreinte. Les cinq nouveaux finalistes incluent trois designs transparents ou semi-transparents : ClearMask, CrystalGuard et Matregenix Mask. Il existe également le ReadiMask sans sangle, qui utilise un adhésif conçu pour que la peau adhère directement au visage du porteur et évite ainsi les fuites d'air et la buée. Et le cinquième nouveau finaliste est le masque Smart, Individualized, Near-Face, Extended Wear (SINEW), qui ne touche même pas du tout le visage. Au lieu de cela, il utilise des forces électrostatiques pour empêcher les particules de s'approcher du nez et de la bouche du porteur.

Ces finalistes subiront une dernière série de tests en septembre, a déclaré Lippold. En octobre, l'équipe DRIVe annoncera deux gagnants, qui recevront chacun 150 000 $, et deux finalistes, qui remporteront chacun 50 000 $. Mais Lippold considère déjà le défi comme un succès. "Dans une certaine mesure, nous avons déjà atteint notre objectif, qui est d'aider à créer une communauté d'innovateurs partageant les mêmes idées qui veulent juste aider les autres", dit-elle. "C'était en quelque sorte un objectif non déclaré. Mais nous voulions aider à inspirer et à soutenir l'accélération de conceptions vraiment novatrices, et je pense que nous l'avons atteint pour la phase 1."

Son résultat idéal pour la prochaine phase serait d'aider les finalistes à obtenir une autorisation réglementaire, telle que la certification N95 du NIOSH ou l'approbation de la Food and Drug Administration. "En offrant la possibilité de tester et d'évaluer, nous aidons à soutenir la génération de preuves basées sur ces masques et leur fonctionnement", ajoute Lippold.

"Le Mask Innovation Challenge est bon pour stimuler de nouvelles conceptions et innovations et impliquer de nouvelles personnes dans la réflexion sur la façon de fabriquer de bons N95", déclare Linsey Marr, experte en aérosols chez Virginia Tech, qui n'a pas participé au concours. "Nous voulons qu'il soit aussi facile que possible pour les gens de porter des masques de bonne qualité, car ils sont l'un des outils les plus simples, les plus rapides et les moins chers que nous pouvons utiliser pour nous protéger contre le COVID-19 et d'autres maladies. Et ils ne sont spécifiques à aucun variante particulière - ils fonctionnent pour tout.

Sophie Bushwick est un rédacteur associé couvrant la technologie chez Scientific American. Suivez-la sur Twitter @sophiebushwick Crédit : Nick Higgins

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