‘Bug Zapper’ usa luz UV-C para permitir la esterilización y reutilización de mascarillas N95
La capacidad prevista del dispositivo es de aproximadamente 3000 mascarillas N95 por día (200 mascarillas por exposición), pero St. Luke’s puede escalar hasta 10 000 mascarillas por día si es necesario. Crédito: Red de salud de la Universidad de St. Luke
Justo a mediados de marzo, cuando la Universidad de Lehigh pasó al aprendizaje remoto y los investigadores comenzaron a cerrar los laboratorios en el campus, Nelson Tansu, Daniel E. ’39 y Patricia M. El profesor de la cátedra Smith Endowed en el departamento de ingeniería eléctrica e informática (ECE), recibió un correo electrónico del Dr. Christopher Roscher, anestesiólogo de St. Luke’s University Health Network.
Roscher sabía que la escasez de máscaras N95 pondría en un riesgo aún mayor a los médicos y enfermeras que tratan a los pacientes con COVID-19. Mientras St. Luke’s trabajaba para aumentar su suministro de equipo de protección personal (EPP) esencial, el hospital necesitaba una forma segura y eficaz de extender el uso de su suministro existente. Roscher había estado realizando una investigación personal sobre el uso de la luz ultravioleta para la descontaminación y descubrió literatura revisada por pares en revistas médicas que sugerían que, en una situación de pandemia, el uso de la luz ultravioleta podría ser una alternativa razonable si no hubiera más máscaras disponibles. Le preguntó a Tansu, quien también es director del Centro de Fotónica y Nanoelectrónica (CPN) de Lehigh y miembro de la Academia Nacional de Inventores (NAI) de EE. UU., si pensaba que un equipo de Lehigh podría ayudar.
» St. Luke’s, como muchos otros hospitales, está tratando de conservar lo que tenemos», dice Roscher. «Abordamos esta idea entendiendo que en un mundo ideal tendríamos una nueva máscara para todos los que la necesitaran, pero la realidad de la situación es que debemos conservar».
La respuesta de Tansu a ese correo electrónico inicial fue rápido: Sí, pensó que se podía hacer. Esa noche, él y sus colegas discutieron un posible plan con Roscher. Al día siguiente, reunió a un equipo entusiasta de voluntarios, miembros del personal y estudiantes de la CPN y del departamento de ingeniería eléctrica e informática (ECE) de Lehigh, todos practicando el distanciamiento social en sus propios hogares.
«Si estamos en tablero, entonces podemos transformar esta idea en realidad», les dijo Tansu. «Junto con el equipo de médicos, tenemos que encontrar una solución que podamos construir en nuestros garajes».
Y eso es lo que hicieron. A través de una colaboración innovadora a través de reuniones de Zoom, llamadas telefónicas y cientos de correos electrónicos y mensajes de texto, Tansu, Roscher y su equipo diseñaron, completaron la fabricación de ingeniería e instalaron el dispositivo en 2,5 semanas sin siquiera pisar el campus de Lehigh o encontrarse cara a cara. cara.
El sistema de esterilización UV de alto rendimiento, ahora en uso en St. Luke’s, puede descontaminar 200 máscaras N95 cada ocho minutos. El sistema, formalmente llamado «Sistema de esterilización ultravioleta simétrico y sin sombras de alto rendimiento», pero que el equipo de St. Luke’s ha apodado «Bug Zapper» debido a su parecido con el dispositivo para matar insectos que usan los propietarios de casas en buggy. patios traseros, «apaga» las máscaras con luz UV-C. Este rango específico de luz ultravioleta puede causar cambios en el ADN y ARN de virus y otros patógenos, incluido el coronavirus, desactivándolos de manera efectiva. El equipo ha presentado dos solicitudes de patente asociadas con el nuevo invento.
Una solución de ‘LEGO-Box’ para la escasez de máscaras
El «Bug Zapper» tiene un gran metal octogonal marco con luces UV colocadas en su centro para lograr una irradiación UV-C simétrica en las máscaras N95. Su capacidad específica es de aproximadamente 3000 mascarillas N95 por día (200 mascarillas por exposición), pero St. Luke’s puede escalar hasta 10 000 mascarillas por día si es necesario.
El objetivo, dice Tansu, era usar suficiente UV -C luz para dañar virus y bacterias, pero conserva la integridad de la máscara N95, que puede degradarse más significativamente con el tiempo por el vapor o los productos químicos. Los miembros del personal de St. Luke’s monitorean las exposiciones con un dispositivo llamado radiómetro, que mide la cantidad de radiación de luz a la que están expuestas las máscaras, y tienen cuidado de proteger su propia piel y ojos al esterilizar las máscaras.
El diseño inicial del equipo tenía forma cilíndrica para garantizar una exposición uniforme, pero ese enfoque requeriría que el personal de St. Luke rotara individualmente cada una de las 200 máscaras 180 grados a la mitad de la exposición para descontaminar cada lado, dice Tansu.
Axel, el hijo de 8 años de Tansu, se unió al proyecto con una contribución crítica a la alta tasa de rendimiento del dispositivo. Sugirió que el dispositivo debería tener una forma octogonal, para permitir que el personal de St. Luke voltee fácilmente el marco en cada uno de los ocho lados para rotar las máscaras, en lugar de rotar cada máscara individualmente.
» Esto tuvo un impacto dramático», dice Tansu.
El diseño final, un verdadero esfuerzo de colaboración, estuvo listo en solo dos días.
«Todos siguieron desarrollando la idea», dice Anthony Jeffers, ingeniero investigador en el CPN. «Fue realmente genial. Estábamos en el mismo nivel durante todo el proceso: nadie era médico ni técnico ni nada. Simplemente estábamos allí para tratar de resolver el problema».
En un esfuerzo Para mantener las pautas de distanciamiento social y evitar poner a alguien en riesgo, el equipo dividió el proyecto en tareas individuales para construir el dispositivo de forma modular. Después de determinar los materiales que necesitarían, los miembros del equipo enviaron los materiales a sus hogares, donde trabajaron, a menudo en garajes, en los componentes asignados, completándolos en menos de cinco días.
«El primer personal un miembro construyó cierta parte y el segundo miembro del personal construyó la segunda parte», explica Tansu. Lo que siguió, bromea, podría haber parecido una actividad ilegal para un observador externo: cada miembro del equipo dejó una parte en un lugar específico en un momento determinado y permaneció en su automóvil para vigilarlo desde lejos hasta el St. Luke’s. representante lo recogió.
«Después de eso, lo ensamblaron como una caja de LEGO», dice Tansu.
St. El ingeniero biomédico de Luke, Jay Johnson, trabajó con maquinistas para ensamblar la unidad en el hospital. «[Jay fue] un componente realmente crítico de la pieza de traducción», dice Roscher. «Básicamente, él era el director, si Nelson y yo fuéramos los escritores [del proyecto]».
Con la asistencia remota de Tansu y su equipo, el equipo de St. Luke’s realizó pruebas para determinar el dosis de luz UV-C, así como pruebas microbiológicas para determinar la efectividad del dispositivo.
Luego estuvieron apagados y funcionando en un tiempo récord.
«He estado en este campo durante mucho tiempo como ingeniero y científico», dice Tansu. «Por lo general, nos tomamos el tiempo de diseñarlo, optimizarlo, analizarlo más, armar un plan experimental, crearlo, probarlo y usarlo. Este es un período muy largo, por lo general, especialmente en la academia. Puede llevar meses. Pero este es uno de los tiempos más cortos que he visto desde la idea hasta la ejecución de la idea, la instalación, la prueba y el uso».
Dice Jeffers: «Todo el mundo tenía una pequeña parte. Y luego Al final, todo se unió. Hacerlo todo sin estar físicamente en contacto con nadie. No sé con qué frecuencia se ha hecho eso en algo, para terminar con lo que terminamos y nunca dos personas estuvieron juntas. en cualquier punto. Es bastante impresionante».
Todos los colaboradores de este proyecto, dice Tansu, desempeñaron un papel clave para lograr un resultado final exitoso. «Desde mi perspectiva, si no tuviéramos dos o tres de los contribuyentes en la lista, el proyecto podría retrasarse significativamente o no completarse a tiempo», dice. «Somos muy afortunados de tener un equipo tan comprometido para completar esta tarea en tan poco tiempo».
Además de Tansu y Jeffers, los participantes clave en el equipo de Lehigh incluyeron a Theodore L. Bowen, investigador ingeniero en el departamento de ECE; Grant Reed, ingeniero de investigación del CPN; Renbo Song, gerente científico del CPN; Ankhitha Manjunatha, Axel Y. Tansu y Adela Gozali Yose. El Dr. Eric Tesoriero, también anestesiólogo, se unió a Roscher y Johnson en St. Luke’s. Alex Schiffman ’21, estudiante del Programa de Honores de Ingeniería y Negocios Integrados (IBE) de Lehigh y pariente de un cardiólogo de St. Luke, y Svetlana Tatic-Lucic, profesora de ingeniería eléctrica e informática y bioingeniería, desempeñaron un papel en la conexión de Roscher y Tansu. Miembros de la facultad en el CPN, incluidos Jonathan J. Wierer, Jr., profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática; Volkmar Dierolf, profesor y catedrático de física; y Sushil Kumar, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática; e Ivan Biaggio, profesor de física, también contribuyeron a la discusión inicial de este proyecto.
«Estamos muy agradecidos por la oportunidad de ayudar a diseñar y construir el sistema de esterilización de máscaras N95 de alto rendimiento en respuesta a la crisis de la COVID-19», dice Tansu. «Al final del día, los profesionales médicos son los que están asumiendo la gran responsabilidad de responder a este problema de la pandemia de coronavirus. Corren un riesgo muy alto en el trabajo y me alegra que nuestro equipo pueda al menos ayudar un poco asegurándoles que sus máscaras están esterilizadas».
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