Desenvolvimento e avaliação de cabine de radiação ultravioleta para desinfecção de mascaras hospitalares descartáveis, durante a pandemia da COVID-19

Clayton A. Benevides1, Túlio L. Pedrosa2, Wendel W. Neves2, Diógenes S. Moura3, Reginaldo G. Lima-Neto4 e Renato E. de Araujo2

1 Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste, CNEN, Recife, Brasil. 2 Laboratório de Óptica Biomédica e Imagens, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil.

3 Colégio de Aplicação, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil. 4 Laboratório de Diagnóstico de Doenças Tropicais, Universidade Federal de Pernambuco, Recife, Brasil.

Abstract — The growth in the number of COVID-19 cases leads to a limitation in the supply of disposable surgical masks to healthcare professionals. The surgical masks disinfection is presented as a strategy for its reuse, during the COVID-19 pandemic. This work describes the development of a disinfec-tion cabin, using ultraviolet radiation, for PFF2 respirators. Computer simulations and microbiological experiments were explored in the design and performance evaluation of the disinfection cabinet. The developed disinfection booth uses two UV-C light lamps, with emission at 254nm and optical power of approximately 20W. In assessing cabin performance, PFF2 respirators were inoculated with Staphylococcus aureus, Bacil-lus subtilis, Klebsiella pneumoniae and Candida albicans. The results obtained show that the activation of the cabin for less than 30 seconds is capable of inactivating all the microorgan-isms inoculated, which indicates the effectiveness of the device on the disinfection of disposable surgical masks. A virtual platform (www.uvtec.com.br) was developed making the UV-based solution easily available and providing greater coverage in the fight against COVID-19.

Keywords— COVID-19, Ultraviolet light, Viral inactivation, Optical device.

I. INTRODUÇÃO

A pandemia causada pelo novo coronavírus, denomina-do “Coronavírus da Síndrome Respiratória Aguda Grave 2” (SARS-CoV-2), foi responsável pela morte de mais de 20000 indivíduos, até meados de maio de 2020, no Brasil. Este vírus, responsável pela “doença por coronavírus 2019” (COVID-19), possui grande estabilidade em superfí-cies [1]. Em plástico e em aço inoxidável, o SARS-CoV-2 pode permanecer ativo por até 72 horas após contaminação. A viabilidade deste vírus em tecidos porosos ainda não foi determinada. Contudo, de forma geral, vírus podem resistir de 72 a 96 horas em tecidos (panos). O elevado tempo de permanência em superfícies combinado à alta taxa de infec-ção secundária tornam essencial o uso de equipamentos de proteção individual (EPI) por pacientes e profissionais de saúde, com máscaras cirúrgicas e respiradores PFF2 e N95.

O rápido crescimento do número de casos de COVID-19 resulta em uma limitação no suprimento de respiradores PFF2 e N95 para os profissionais de saúde. A desinfecção desses equipamentos de segurança apresenta-se como uma estratégia para seu reuso, em períodos de pandemia [2, 3]. Em particular, o uso de luz ultravioleta, vapor de peroxido de hidrogênio e aquecimento por vapor representam poten-ciais alternativas para a desinfecção de EPIs [3]. A inativa-ção viral pelo aquecimento por vapor depende da tempera-tura e do tempo de aquecimento. Recomenda-se o uso de temperaturas entre 70 e 85oC, umidade entre 50 e 80% e tempo de processamento de pelo menos 60 minutos. Para processos de desinfecção, peroxido de hidrogênio (H2O2) é explorado em hospitais, laboratórios e industrias farmacêu-ticas. Alguns sistemas comerciais de desinfecção de respi-radores N95 por H2O2, já aprovados pelo FDA-USA, permi-tem o processamento simultânea de dezenas de mascaras em algumas horas (5-8 horas). Além disto, Desinfeção por H2O2 é incompatível com celulose, que é um componente de alguns respiradores N95.

O uso de luz UV-C consiste no método mais adequado para a desinfecção rápida de máscaras e respiradores N95 [4]. Luz UV-C consiste na radiação eletromagnética com comprimento de onda entre 200nm e 280 nm. A luz UV-C é capaz de quebrar ligações químicas de ácidos nucleicos em vírus, impedindo assim sua replicação (ação germicida) [5, 6]. C.C. Tseng e C.S. Li demonstraram que baixas doses de radiação UV-C podem inativar vírus, em superfície [7]. Doses menores que 5 J/m2 permite uma redução de 90% de vírus do tipo ssRNA [6]. Apesar de não ser conhecida na literatura a susceptibilidade do vírus SARS-CoV-2, que é do tipo ssRNA, para a radiação ultravioleta, vários trabalhos avaliam a susceptibilidade de coronavírus (Coronavirus Canino - CCoV, Coronavirus SARS CoV-P9, Coronavirus Murino –MHV) à luz UV-C, indicando que uma dose de 100 J/m2 deveria ter um impacto substancial na inativação do vírus [8]. Na desinfecção de respiradores N95 utilizando luz UV-C, atenção deve ser dada a baixa transmissão da radiação pelas diferentes camadas internas do EPI. E.M. Fisher e R.E. Shaffer demonstraram que a intensidade UV-

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C no interior da mascara pode ser ~ 3-400x menor que na superfície, a depender da marca do EPI [9]. Assim, nas desinfecção de respiradores N95 com luz UV-C aconselha-se o uso de dose elevadas de radiação (> 5000 J/m2) ou a iluminação de ambos os lados do EPI [3]. Danos físicos nos respiradores N95 foram observados com a aplicação de doses UV de 106-107 J/m2 [10].

Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma cabine de desinfecção, por radiação ultravioleta, de respiradores N95 e PFF2. Simulação computacional e experimentos microbiológicos foram explorados na elaboração e avalição da performance da cabine de desinfecção.

II. MATERIAIS E METODOS

A cabine de desinfecção, construída em MDF (cortado à laser), possui duas lâmpadas UV-C de 95W (LTC95WHO/2G11, CUBOS) e permite a intervenção em de quatro respiradores, simultaneamente. A potência e o espectro da emissão das lâmpadas UV-C foram mensurados utilizando um medidor de potência óptica (PMD100, Thor-labs) e um espectrômetro óptico portátil (HR2000+, Ocean Optics). Fazendo uso de um LDR, o tempo de ativação das lâmpadas foi determinado.

A distribuição de dose no interior da cabine foi avaliada utilizando simulações computacionais baseadas no Método dos Elementos Finitos (MEF), pela da plataforma COMSOL Multiphysics. Nela, a módulo de óptica geométrica foi em-pregado na investigação do comportamento de luz ultravio-leta na cabine de desinfecção. A partir da avaliação tempo-ral da intensidade de luz ultravioleta, obteve-se a dose de radiação incidente nas máscaras. Na simulação, a geometria da lâmpada UV-C também foi considerada.

As análises da efetividade da desinfecção das máscaras e respiradores foram baseadas na RDC/ANVISA no 35/2010 para avaliação de atividade antimicrobiana. Foram alvos do estudo os seguintes microrganismos: Staphylococcus aureus (ATCC 25923) (cocos gram-positivo), Bacillus subtilis (ATCC 6633) (bacilo gram-positivo), Klebsiella pneumoni-ae (ATCC 10031) (bacilo gram-negativo) e Candida albi-cans (ATCC 14053) (fungo). Os microrganismos selecio-nados para avaliação de atividade antimicrobiana foram obtidos do estoque de espécimes do Laboratório de Diag-nóstico em Doenças Tropicais da UFPE. As bactérias foram cultivadas em ágar nutriente e a levedura em ágar Sabou-raud e incubadas a 35 ºC overnight. Colônias dos quatros microrganismos foram suspensas em solução salina esterili-zada (NaCl 0,85g/L). Os inóculos foram preparados no padrão de McFarland 0,5, padronizadas em espectrofotôme-tro Genesys 10S Vis (Thermo Scientific), ajustado a 625 nm para bactérias com absorbância entre 0,08 e 0,1 e 590 nm

para levedura com transmitância de 90% (CLSI, 2015; CLSI, 2008).

Em uma cabine de fluxo laminar NB2, 1 mL das suspen-sões dos inóculos das bactérias (108 UFC/mL) e do fungo (106 UFC/mL), foram gotejadas em regiões definidas nas superfícies frontal e interna dos respiradores PFF2 (M.F.Q. Respiradores descartáveis), com o auxílio de uma pipeta de Pasteur. Após a inoculação, os EPIs ficaram em repouso no interior da cabine de fluxo laminar NB2 durante 60 minutos. Posteriormente, os EPIs foram expostos ao tratamento UV (diferentes doses), com objetivo de eliminar o inóculo mi-crobiano. A tentativa de retrocultivo a partir do EPI ocorreu por fragmentos de aproximadamente 1 x 1 cm, que foram recortados com bisturi cirúrgico nº 22 e semeados em dupli-cata tanto em meio líquido como em meio sólido. Para o cultivo em meio líquido, foram utilizadas placas de poliesti-reno de 24 poços, contendo 2 mL de RPMI 1640 (Roswell Park Memorial Institute, Sigma Chemical Co., St. Louis, MO). No retrocultivo em meio sólido foi utilizado agar Sangue para o inóculo de de Staphylococcus aureus, agar Brain Heart Infusion (BHI) para Bacillus subtilis, agar MacConkey para Klebsiella pneumoniae e ágar Sabouraud para os inóculos de Candida albicans. Todas as placas fo-ram incubadas a 35 ºC e avaliadas diariamente até 96hs.

III. RESULTADOS E DISCUSSÕES

A cabine de desinfecção por radiação UV foi planejada para executar a desinfecção de 4 EPIs, explorando a ilumi-nação simultânea das faces interna e externa dos respirado-res. Para tal, fez-se uso de duas lâmpadas de UV. Uma de-sinfecção eficiente exige que todas as superfícies (interna e externa) das máscaras sejam irradiadas. A figura 1 apresenta o projeto técnico e a imagem da cabine de desinfecção con-feccionada em MDF. A cabine possui dimensões externas de 60cmx40cmx20 cm e peso de aproximadamente 6Kg, o que garante um fácil transporte do equipamento.

A eficiência da cabine é obtida com a aplicação de uma dose UV que garanta a inativação vírus. Como requisito de construção da cabine, foi estabelecido que a dose mínima de 300 J/m2 seria empregada nas tiras elásticas dos EPIs, o que corresponde a uma irradiação 3x maior do que a necessária para inativação do coronavírus (100 J/m2). Estabeleceu-se também que a superfície da região central do respirador PFF2 deveria ser iluminada com uma dose superior a 1000 J/m2 .

A figura 2 indica a distribuição de intensidade luminosa no plano central (afastada 10 cm das laterais superior e inferior) da cabine desinfecção. Da figura 2a, observa-se que a intensidade de UV não é distribuída uniformemente na cabine. Consequentemente, as diferentes regiões dos

EPIs, em processo de desinfecção, não são igualmente ilu-minadas. Pela figura 2b, verifica-se que as regiões do plano central da cabine mais próximas das lâmpadas estão subme-tidas a intensidades mais elevadas que as áreas nas extremi-dades do plano.

a) b) Fig. 1 Cabine de radiação UV-C para desinfecção de respiradores. a)

projeto técnico; b) foto do equipamento

a) b) Fig. 2 a) Distribuição de intensidade luminosa na cabine e b) mapa de dose no plano central da cabine, para 25s de irradiação de lâmpada com potência UV de 27W

A dose incidente no respirador é estabelecida pela densi-

dade de potência da luz UV e pelo tempo de exposição do EPI à radiação. Dessa forma, para lâmpadas com diferentes potências ópticas, são exigidos diferentes tempos de exposi-ção das mascaras para o alcance da dose de inativação esta-belecida. A figura 3 indica o comportamento temporal da dose, para diferentes potências de irradiação (10 W, 15 W, 20 W e 27W), em duas regiões distintas no plano central da cabine. As regiões em análise estão indicadas (região bran-ca) na figura 2b, e correspondem as áreas próximas das lâmpadas ou das extremidades do plano central da cabine. Pela figura 3, verifica-se que a área na região central do plano recebe uma maior dose (linhas solidas) que a região da extremidade do plano (linhas tracejadas). A região cen-tral do plano apresenta dose ~4x mais elevada que a área da extremidade do plano. Verifica-se também que com apenas 15 segundos de exposição todo plano alcança um dose supe-rior a 300 J/m2. A dose máxima alcançada nessa simulação (não apresentada na figura 3) não ultrapassou 4500 J/m², para 27W de potência óptica e 20 segundos de exposição. O que corresponde a um valor aproximadamente 2000x menor que a dose necessária para induzir algum dano físico no EPI. Para a operação da cabine e aferição de dose, foi men-surada a potência óptica UV-C e o espectro da lâmpada utilizada na cabine. O espectro óptico da emissão da lâmpa-da apresentou um intenso pico em 254nm. Verificou-se uma potência da emissão óptica de aproximadamente 20W. As-

sim, verifica-se, pela figura 3, que 10 segundos de exposi-ção das mascaras à radiação UV garante uma dose superior a 300 J/m2 em todo o plano central da cabine, possibilitando a desinfecção dos EPIs.

Fig. 3 Evolução temporal da dose em duas regiões distintas (centro e

bordas) no plano central da cabine. As linhas solidas são utilizadas para a região central do plano e as linhas tracejadas referem-se a região na extre-midade do plano. Potência óptica total da lâmpada: 10W (azul), 15W (verde), 20W (amarelo) e 27W (roxo)

O curto tempo de operação da cabine exige a análise da

dinâmica de acionamento da lâmpada UV. A figura 4 apre-senta o comportamento temporal da intensidade de emissão da lâmpada durante 60 segundos após o acionamento. Ob-serva-se a existência de um tempo de retardo (~8 segundos) para a ativação da fonte de luz. Desta forma, para o aciona-mento do equipamento por de 15, 20 e 30 segundos, é esta-belecida a exposição dos EPIs por aproximadamente 7, 12 e 22 segundos, respectivamente. O tempo de estabilização da emissão da lâmpada, com o alcance da máxima potência UV, é inferior a 0,5 segundo.

Para a avalição da performance da cabine de desinfecção, respiradores PFF2 foram contaminados com diferentes microrganismos. Os microrganismos utilizados apresentam dose de inativação entre 10 e 200 J/m2 [11], o que os tornam modelos atraentes para a faixa de dose explorada no dispo-sitivo de desinfecção de SARS-CoV-2. Entre os microorga-nismos utilizados, a Candida albicans e a Klebsiella pneu-moniaea apresentam-se, respectivamente, como as espécies de menor e maior susceptibilidade a radiação ultravioleta.

Para cada semeio controle, ou seja, fragmento da másca-ra contaminada e sem exposição UV, o inóculo mostrou crescimento visível após período de incubação, indicando que os microrganismos estavam viáveis e que as condições estavam adequadas ao desenvolvimento microbiano.

Não foi observado crescimento microbiano a partir dos fragmentos de máscaras semeados em meio líquido RPMI, após os três tempos de exposição a UV. Em meio sólido também não houve crescimento de Bacillus subtilis, Klebsi-ella pneumoniae e Candida albicans, após os três tempos de

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exposição a UV. Também, nos fragmentos inoculados com Staphylococcus aureus e com 20 e 30 segundos de exposi-ção UV, não foi verificado o desenvolvimento de colônias. Observou-se o surgimento de colônia no meio sólido (agar Sangue) com fragmento de máscaras inoculadas com Sta-phylococcus aureus e expostas à UV por 15 segundos. Uti-lizando sistema de teste ID/AST microbiana VITEK® 2 (bioMerieux) verificou-se que a colônia tratava de uma cepa de Aeromonas, provavelmente oriunda de uma contamina-ção no translado das mascaras entre a cabine de radiação e a câmara de fluxo laminar.

Fig. 4 Dinâmica de acionamento da lâmpada UV, para ativação por 15,

20 e 30 segundos Como estratégia para disseminar o uso da cabine de de-

sinfecção em hospitais de todo o país, é necessária a criação de uma rede de parceiros para a construção e distribuição do dispositivo. Nesta perspectiva, foi construído um site (www.uvtec.com.br) para apoio, pela disponibilização de instruções e apoio técnico, ao desenvolvimento de cabines de desinfecção respiradores N95 e PFF2.

IV. CONCLUSÕES

A desinfecção de respiradores N95 e PFF2 apresenta-se como uma alternativa para o reuso seguro destes EPIs, du-rante o período de pandemia do COVID-19.

O dispositivo apresentado de desinfecção por radiação ultravioleta permite a desinfecção simultânea de 4 respira-dores em um tempo menor que 30 segundos. As doses em-pregadas são superiores as necessárias para a inativação do SARS-Cov -2.

O projeto de construção da cabine de desinfecção foi dis-ponibilizado no site www.uvtec.com.br, de forma a fomen-tar empreendedores a atuarem apoiando instituições e pro-fissionais de saúde na desinfecção de máscaras e respirado-respiradores.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem o apoio financeiro da UFPE e do CNPq. Renato de Araujo também é grato ao apoio do INCT INFo.

CONFLITO DE INTERESSES

Os autores declaram que não possuem conflitos de inte-resses.

REFERÊNCIAS

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Autor correspondente: Autor: Renato E. de Araujo Instituto: Universidade Federal de Pernambuco Rua: Av. dos Arquitetos, SN Cidade: Recife País Brasil Email: renato.earaujo@ufpe.br