Los ingenieros ofrecen soluciones de bricolaje para la escasez de equipos de coronavirus

El mundo necesita desesperadamente equipos de protección para mantener seguros a los trabajadores de la salud y ventiladores para ayudar a los pacientes críticos con COVID-19 a respirar. Ante un aumento de la demanda y el estancamiento de las cadenas de suministro, los ingenieros se esfuerzan por rediseñar los equipos para que puedan producirse fuera de las fábricas especializadas.

Los investigadores de instituciones académicas se están inspirando en el espíritu del movimiento de creadores independientes, dice Saad Bhamla, bioingeniero del Instituto de Tecnología de Georgia. «Estamos aprovechando comunidades existentes enteras», dijo, señalando que muchas ciudades tienen clubes para aficionados al bricolaje. Estas personas a menudo ofrecen su tiempo como voluntarios en laboratorios de fabricación y espacios de creación. Ahora, la pandemia de COVID-19 les presenta un problema único. «La gente está llamando a pelear», dijo Bamra, «y están usando su creatividad y sus habilidades para resolver problemas».

El enfoque de «hágalo usted mismo» es más evidente en las máscaras faciales: los aficionados comparten diseños e instrucciones, lo que permite a los aficionados coser sus propias cubiertas faciales lavables. Algunos donan estas máscaras a hospitales, aunque en entornos médicos este equipo no oficial solo debe usarse como último recurso. Investigaciones anteriores han demostrado que, si bien los protectores faciales caseros pueden reducir la propagación de microbios, no son tan efectivos como las mascarillas quirúrgicas producidas profesionalmente. Parte de la diferencia es que los materiales usados ​​en las mascarillas quirúrgicas son mejores para detener las gotitas portadoras de virus que los humanos exhalan cuando estornudan y tosen que las telas como el algodón que se usa en muchas mascarillas caseras. En lugar de depender de donaciones individuales, algunos hospitales están enviando materiales de grado médico a fabricantes de ropa de todo tipo, desde el diseñador de moda Christian Siriano hasta la comunidad Amish de Ohio, que han comenzado a escalar la producción de máscaras impermeables y ropa protectora.

Pero las máscaras son solo una pieza del equipo de protección personal que necesitan los trabajadores de la salud, y no requieren rediseñar las máquinas de coser para producirlas en masa. Los equipos como los protectores faciales, en los que el usuario se coloca una lámina de plástico transparente en la frente para proporcionar una barrera adicional contra las gotas, es otra historia. MacGyver podría fabricar un dispositivo de este tipo a partir de una hoja de plástico y bridas o gomas elásticas, pero el proceso y el resultado llevarían demasiado tiempo y no serían adecuados para la producción en masa. En cambio, los ingenieros han ideado varias formas de crear protectores faciales que se pueden producir con impresoras 3D y cortadoras láser.

protección facial

Bhamla es parte de uno de los primeros equipos en adoptar un enfoque de bricolaje para hacer un dispositivo de coronavirus, coordinado en la plataforma de comunicaciones comerciales Slack. Cuando Nicholas Moser se unió por primera vez al grupo, Ingeniería útil, dijo que tenía alrededor de 300 participantes. La membresía se ha disparado a miles en el momento de escribir este artículo a medida que su enfoque cambia al diseño para combatir el coronavirus. Moser, que tenía experiencia como gerente de proyectos, se convirtió en jefe del proyecto MASK, un grupo destinado a desarrollar equipos de protección. MASKproject rápidamente comenzó a refinar las dos máscaras y finalmente se centró en el diseño similar al origami. Cualquier troqueladora comercial, cortadora láser o chorro de agua puede cortar un diseño de código abierto a partir de una hoja plana de plástico y luego doblarlo a mano en la forma tridimensional adecuada.

Moser dijo que su equipo ha entregado protectores faciales a cinco hospitales, incluidos los de Nueva Orleans, Massachusetts y California, a un ritmo de alrededor de 10,000 por semana. Otras organizaciones han seguido su ejemplo: el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Sistema de Salud de la Universidad de Duke han anunciado que sus investigadores han desarrollado y probado sus propios prototipos de protectores faciales. Al igual que el diseño de MASKproject, el escudo del MIT se produce en una máquina troqueladora y se pliega a mano, mientras que el escudo de Duke Health utiliza una diadema impresa en 3D.

En todos estos casos, los nuevos protectores se pueden producir en máquinas relativamente comunes: las cortadoras láser, las troqueladoras y las impresoras 3D son omnipresentes en muchos espacios de fabricación, laboratorios e instalaciones de producción que normalmente no producen dispositivos médicos. El equipo de Moser espera trabajar con varios socios para producir su dispositivo, dijo. “Abarca desde un pequeño taller que realiza impresiones tipográficas (cortando el papel en formas) hasta una gran fábrica con una máquina troqueladora rotativa que puede producir cientos de miles de hojas. [of shields] Un día”, agregó Moser. Los dispositivos producidos a través de este llamado modelo de fabricación distribuida luego fluyen a un centro central para el control de calidad y la esterilización antes de enviarse a los hospitales. Este tipo de fabricación distribuida”, dijo. “Fabricación distribuida a esta escala nunca se ha logrado antes. Con la ayuda de todas estas personas, las cadenas de suministro se están resolviendo a una velocidad vertiginosa. «

Necesito N95

Si bien la fabricación distribuida tiene la ventaja de la velocidad, requiere el rediseño de equipos para que los artículos se puedan producir utilizando máquinas como impresoras 3D en lugar de equipos especializados. No todos los diseños nuevos cumplen con los estrictos estándares médicos, lo cual es especialmente importante para un artículo importante que ahora es muy escaso: los respiradores N95. Las máscaras quirúrgicas bloquean las gotas, pero los virus aún pueden salir del material. Esa posibilidad genera preocupación cuando el aire está lleno de partículas virales, como sucede cuando los médicos ventilan a pacientes con coronavirus gravemente enfermos. Para protegerse en esta situación, los profesionales médicos usan respiradores N95. Estas máscaras se ajustan perfectamente a la piel y solo permiten que el aire pase a través de un filtro denso que bloquea el 95 % de las partículas muy pequeñas y, al mismo tiempo, permite que el usuario respire con facilidad.

El filtro dentro del N95 está hecho de polipropileno hilado, un material que actualmente escasea. Entonces, Moser y sus colegas están diseñando un dispositivo similar que podría usar otras sustancias. «Diseñamos y construimos un prototipo y estamos probando una máscara independiente del filtro como reemplazo de N95», dijo. El respirador MASKproject consiste en una base impresa en 3D que se ajusta perfectamente a la cara. El producto tiene una rejilla frontal que fuerza la entrada de aire a través de una pila de material filtrante, incluido un filtro HEPA, «que cumple con las mismas especificaciones de partículas que el N95. Por lo tanto, no están clasificados por cómo se usan, pero tienen un clasificación similar», dijo Moser. Actualmente, su equipo está probando la filtrabilidad y la transpirabilidad de los dispositivos.

Sin embargo, es poco probable que el dispositivo de MASKproject supere todos los obstáculos reglamentarios que debe superar un respirador N95 certificado. «Un producto como un respirador N95 pasa por un riguroso proceso de prueba para llegar a ese nivel”, dijo Julie Swann, profesora de ingeniería industrial y de sistemas en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Pero la pandemia actual no esperará a que se realice la prueba: el La Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. anunció recientemente que, en caso de emergencia, las organizaciones estadounidenses pueden recurrir a alternativas como el KN95, un protector similar que se usa en China. Moser ve el reemplazo del N95 de su equipo como una opción de respaldo similar. «MASKproject, yo mismo, los ingenieros útiles: no fabricamos dispositivos médicos», dijo. «Estamos fabricando productos genéricos y probándolos con los mismos estándares internacionales que los dispositivos similares que escasean. Pero no están certificados, no están regulados y no son aptos para uso médico». Moser señaló que los hospitales pueden solicitar los dispositivos de MASKproject. “Pero no están destinados para uso médico en absoluto”. A pesar del descargo de responsabilidad, dijo, su equipo está buscando la certificación de la FDA y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades.

Rediseño del ventilador

Al igual que las máscaras N95, los ventiladores deben cumplir con estándares extremadamente estrictos. Las máquinas intentan respirar para los pacientes con COVID-19 cuando los niveles de oxígeno en la sangre caen a niveles peligrosos. Pero incluso cuando los fabricantes aumentan las tasas de producción, el suministro de equipos complejos y costosos sigue siendo limitado en todo el mundo.

«En el Reino Unido, el problema es que tenemos un muy buen fabricante de ventiladores, pero la capacidad de producción actual es de unos 2000 al año», dijo Mark Thompson, ingeniero de la Universidad de Oxford, y señaló que el país necesitaría más máquinas para soportar la cantidad estimada de COVID-19. -19 pacientes que necesitarán estas máquinas en los próximos meses. «Es imposible que cualquiera de nuestros fabricantes de ventiladores aumente la producción», dijo. «Requiere una solución completamente diferente».

Thompson es uno de varios investigadores pioneros en una alternativa a los ventiladores de un solo uso, inspirados en un producto existente: las bolsas comprimibles que usan los trabajadores de la salud para controlar manualmente la respiración de los pacientes en situaciones de emergencia. Con un suministro de oxígeno y un proceso automatizado de compresión y liberación, el dispositivo ayuda a las personas infectadas a respirar durante largos períodos de tiempo de manera similar a un ventilador. En este caso, el equipo de Thompson espera utilizar piezas listas para usar para automatizar el proceso y hacer que el dispositivo sea más fácil de fabricar. «Esencialmente, gira en torno a la idea de tener muchos desechables [that] ampliamente disponible [and that] Todos son dispositivos orientados al paciente «, dijo. Después de un sorprendente período de desarrollo de dos semanas, Thompson y sus colegas comenzaron a probar su reemplazo de ventilador, OxVent. Aprobación de la Agencia Reguladora de Productos de Salud, que es similar a la FDA en los EE. UU. Una vez que los desarrolladores sean aprobados, planean que el fabricante de dispositivos médicos Smith + Nephew produzca su diseño de código abierto.

OxVent fue uno de los primeros en la carrera por rediseñar ventiladores para hacerlos más rápidos, pero no es el único. Tres equipos diferentes de físicos han desarrollado sus propios prototipos de ventiladores de emergencia. Este mes, el CoVent-19 Challenge lanzó una competencia abierta para el diseño de nuevos ventiladores. El plan es desarrollarlos en tan solo dos meses.

Estos diseños no serán tan complicados como los ventiladores ordinarios. Por ejemplo, Thompson señaló que el producto de su equipo tendría que desecharse después de usarse en un solo paciente. También carece del equipo de monitoreo y las sirenas que tienen los ventiladores de tamaño completo. Por otro lado, al utilizar el tipo de fabricación distribuida en la que también se basa el trabajo de Moser, la empresa podrá aumentar la producción de su diseño de ventilador de emergencia más rápidamente. “El reto es [make] Agregue alrededor de 20,000 ventiladores adicionales antes del pico de la epidemia «, dijo Thompson. «Creemos que tenemos la oportunidad de hacerlo con este sistema distribuido. «

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