El avance de la ingeniería puede mitigar la contaminación por COVID-19 en las clínicas dentales
La clínica de la Facultad de Odontología de la Universidad de Illinois en Chicago está compuesta por 350 sillones en varias áreas abiertas y grandes. Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la UIC han desarrollado una forma de mitigar la contaminación por COVID-19 en las clínicas dentales. Crédito: Facultad de Odontología de la Universidad de Illinois en Chicago.
Los consultorios dentales han estado cerrados desde marzo después de que la Asociación Dental Estadounidense y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades les advirtieran que cerraran sus consultorios excepto para emergencias. Recientemente, proporcionaron un marco para la reapertura de las instalaciones, que requiere que las oficinas lleven equipos de protección personal (EPP) adicionales, como máscaras faciales, protectores, protección para los ojos, batas y guantes, y que los cambien con frecuencia. Las pautas exigen la limpieza completa de los espacios de trabajo entre pacientes y una pausa para permitir que los sistemas de filtración de aire eliminen partículas potencialmente infecciosas.
La Facultad de Odontología de UIC está siguiendo las pautas para proteger a los pacientes, el cuerpo docente, el personal y los estudiantes contra el COVID-19. Sin embargo, estas medidas no garantizan una protección completa contra la inhalación de aerosoles generados por algunas de las herramientas esenciales utilizadas por los dentistas.
Para mitigar los aerosoles, los líderes de la facultad de odontología se comunicaron con expertos de la Facultad de Ingeniería de la UIC para ayudarlos a resolver el problema.
Los riesgos únicos para una escuela de odontología
«Durante años, hemos estado atentos al control de infecciones, y la pandemia de COVID ha centrado la atención en los problemas», dijo Clark Stanford. , profesor distinguido de la UIC y decano de la Facultad de Odontología. «Con miles de millones de virus en el mundo, hemos tenido mucha suerte. COVID es una llamada de atención, y podría haber algo más en el futuro».
Las amenazas de virus altamente infecciosos y transmitidos por el aire representan una amenaza única para la escuela. A diferencia de un consultorio dental de tres sillones, la Facultad de Odontología es mucho más grande. Múltiples clínicas grandes de bahía abierta conforman 350 sillas y casi 1,000 personas trabajando en el edificio. Es mucho más una atmósfera de hospital que crea un conjunto único y complejo de problemas.
«Este es un verdadero desafío por varias razones», dijo Lyndon Cooper, decano asociado de investigación en la Facultad de Odontología y director de biología oral en la UIC. «Una es que muchos pacientes son asintomáticos o presintomáticos, y las personas que ingresan a una clínica dental no necesariamente se presentan como un riesgo para nosotros. Entonces, nuestra guardia está baja. En segundo lugar, los aerosoles no se ven. Existen al hablar, gritar, estornudar y todas estas cosas pueden transmitir un virus. En un entorno dental abierto, como una facultad de odontología o un consultorio dental con varios sillones, se enfrenta a una amenaza invisible que debe contenerse. Y eso realmente pone esto en la esfera de lo desconocido».
Los funcionarios de odontología trabajaron con gerentes y consultores de las instalaciones, quienes revisaron el sistema HVAC y la calidad del aire para aumentar el intercambio de aire y proporcionar un 100 % de aire exterior, lo que minimizará la recirculación. También agregaron tecnología de ionización bipolar y filtración HEPA en todo el edificio para proporcionar capas adicionales de protección.
También están tomando medidas para lidiar con el comportamiento humano para garantizar que la calidad del aire sea segura. Esto se logrará limitando el número de personas y reduciendo la densidad y la distancia entre las personas.
Una tercera medida que querían descubrir es cómo reducir la cantidad de aerosoles generados y hasta dónde se pueden propagar. Si bien existen instrumentos para alejar el aerosol del paciente y del dentista, la idea de reducir el aerosol es un enfoque novedoso. Para responder a esta pregunta, los líderes dentales recurrieron a la Facultad de Ingeniería de la UIC.
«El aspecto fascinante de esto es la colaboración entre la ingeniería y la facultad de odontología. Tener la participación de personas que puedan analizar algunos de los esfuerzos de mitigación que estamos considerando y evaluar en tiempo real con sus equipo y experiencia para que no hagamos suposiciones es tranquilizador», dijo Susan Rowan, Decana Asociada Ejecutiva y Decana Asociada de Asuntos Clínicos en la Facultad de Odontología de la UIC. «Nosotros, como universidad, estamos impulsados por los datos y queremos asegurarnos de que lo que estamos haciendo sea lo mejor para nuestros pacientes, así como para nuestro personal, profesores y estudiantes».
Ingeniería de una solución
El equipo de ingeniería de UIC, compuesto por profesores y estudiantes de ingeniería mecánica e industrial (MIE) e ingeniería eléctrica e informática (ECE), está estudiando cómo se dispersan los aerosoles. de instrumentos dentales.
Constantine Megaridis, profesor distinguido de la UIC en MIE, y la investigadora posdoctoral Tamal Roy están observando las gotas gruesas que generan los instrumentos dentales, incluido cómo una herramienta vibratoria ultrasónica llamada Cavitron arroja gotas de su punta
«Estos dispositivos son omnipresentes en la práctica dental y generan grandes cantidades de pequeñas gotas de agua que podrían representar una amenaza para los odontólogos y los pacientes si portan el virus de la saliva de un paciente infectado», dijo Megaridis. «Existe la posibilidad de que el COVID-19 se propague en consultorios y clínicas dentales cuando el rocío generado por este dispositivo golpea un diente u otro tejido en la boca, recoge un poco de saliva y se libera de la cavidad bucal con la respiración. Mi El laboratorio está utilizando imágenes de alta velocidad y herramientas ópticas para observar el desprendimiento de gotas de la punta Cavitron en términos de su tamaño y concentración en el espacio».
La profesora asociada de MIE Parisa Mirbod y su equipo, incluido el Ph.D. Los estudiantes Eileen Haffner y Maryam Bagheri utilizaron la velocimetría de imagen de partículas y la velocimetría de seguimiento de partículas para la visualización de flujo para rastrear, medir y examinar las velocidades y la distancia de las gotas individuales. También utilizaron técnicas de fotografía de sombras para definir las distribuciones de gotas, centrándose en gotas gruesas y finas.
«Los procedimientos dentales producen partículas en el aire que son responsables de transmitir virus, incluido el SARS-CoV-2, al aire. Estudiamos las gotas producidas por el Cavitron utilizando técnicas experimentales de última generación para comprender qué tan lejos se mueven y con qué velocidades. Estos datos se pueden usar en el análisis CFD para analizar más a fondo el título viral en la clínica», dijo Mirbod.
El Profesor Asociado de ECE Igor Paprotny y su Ph.D. El estudiante Anuj Singhal está contribuyendo a la investigación al observar partículas finas y ultrafinas.
«Lo que estamos observando son gotas de aerosol y partículas que tienen menos de 10 micrómetros de diámetro, centrándonos en aerosoles que tienen dos micrómetros y medio o menos. Recientemente, hemos estado observando partículas que son de tamaño nanométrico, los llamados aerosoles ultrafinos, en general de tamaño inferior a un micrómetro», dijo Paprotny
Observó que los aerosoles de más de 10 micrones no se asentarán rápidamente. Los aerosoles de menos de 10 micras y los de dos micras y media o menos permanecerán suspendidos en el aire durante mucho tiempo y seguirán las corrientes de aire. Con la creciente evidencia de que el COVID-19 es una enfermedad transmitida por el aire, estos diminutos aerosoles tienen el potencial de transmitir el virus a otros pacientes y personas que trabajan en entornos dentales.
«Estamos utilizando una serie de instrumentos de medición de aerosoles que registran la concentración de aerosoles en el aire y pueden mapear los canales de estas gotas que emanan de diferentes fuentes», dijo Paprotny. «Esto nos permite crear una imagen del tamaño de los aerosoles que flotan en el procedimiento dental utilizado y, a su vez, determinar la concentración de estos aerosoles en toda la clínica dental».
El jefe del departamento de MIE, Farzad Mashayek, dirige el equipo de ingeniería y dirige el equipo de dinámica de fluidos computacional (CFD), que incluye al profesor Jonathan Komperda y Ph.D. estudiantes Dongru Li, Ahmad Peyvan y Babak Kashir.
«Usamos simulaciones por computadora para determinar la velocidad del aire, la temperatura y la humedad en diferentes lugares de la clínica. Con esta información, aplicamos simulaciones por computadora para rastrear gotas y aerosoles para predecir la carga viral en la clínica, «, dijo Mashayek, quien está trabajando con los datos recopilados de los otros miembros del equipo de ingeniería.
Este trabajo está relacionado con la gran clínica dental de UIC que se utiliza para múltiples pacientes simultáneamente. El tamaño de la sala y los detalles del mobiliario y el equipo plantean un desafío, por lo que las simulaciones deben planificarse cuidadosamente y realizarse con los recursos computacionales disponibles durante un corto período de tiempo.
«Nuestro grupo ensambló tres computadoras nuevas en muy poco tiempo para uso exclusivo en este proyecto», dijo Mashayek. «Nuestro trabajo une los datos de ingeniería generados por las simulaciones y los datos publicados sobre la carga viral para crear un mapa de calor para la sala, lo que permite a los dentistas evaluar el riesgo en diferentes lugares dentro de la clínica».
Si bien esta investigación se centra en la clínica dental de la UIC, Mashayek dijo que el enfoque podría usarse para crear mapas de calor para la mitigación de riesgos en otros espacios cerrados del campus y más allá.
¿Es una solución de polímero la respuesta?
Mientras los investigadores continúan obteniendo una mejor comprensión de las gotas que se forman y cómo viajan, todavía tienen una gran pregunta que responder: ¿Cómo mitigan los aerosoles?
«Lo que propuse y demostré es que se puede suprimir por completo la formación de aerosoles usando una solución de polímero acuoso diluido», dijo Alexander Yarin, profesor distinguido de la UIC en MIE. «Esencialmente, puedo tomar materiales de venta libre y usarlos en esta operación sin que se formen gotas».
Los investigadores identificaron varias soluciones de polímeros aprobadas por la FDA que pueden reemplazar el agua en el Cavitron y el taladro dental. Descubrieron que cuando el fluido se dispensa desde el raspador ultrasónico Cavitron, las gotas de rociado no se forman en absoluto, ya que las fuerzas elásticas las suprimen por completo. Lo mismo ocurre con el taladro giratorio, donde en lugar de gotitas se forman largos filamentos, que ya no son peligrosos porque no salen volando de la cabeza del taladro.
Yarin dijo que las soluciones viscoelásticas que estudiaron tienen características similares a la saliva, aunque con tensiones elásticas más altas. Lo demostró colocando saliva entre sus dedos y separándolos lentamente, lo que formó un hilo que muestra las fuerzas elásticas y se mantiene intacto por este último.
Con la solución de polímero, los hilos y filamentos no se rompen y las gotas no se desprenden, como se demostró en los experimentos de laboratorio y en la clínica dental. Yarin y su Ph.D. Los estudiantes probaron las soluciones a velocidades bajas y a la velocidad más alta del taladro dental y todas las potencias de Cavitron, lo que proporcionó la misma supresión de la formación de gotas.
«Este parece ser un método totalmente nuevo de mitigación para este tipo de problema», dijo Yarin. «Este enfoque no es costoso en absoluto y no requiere ningún cambio de dispositivo y, con la aprobación formal, la Facultad de Odontología puede comenzar a usarlo ahora mismo».
Doctorado. los estudiantes Yasmin Dias, Jevon Plog y Jingwei Wu trabajaron bajo la dirección de Yarin en esta investigación. “Estos tres estudiantes fueron muy instrumentales y llegaron heroicamente a la UIC cuando todo estaba cerrado, y trabajamos solos allí durante bastante tiempo”, dijo Yarin.
UIC ahora está presentando una patente para esta nueva tecnología y trabajando con empresas para implementar el proceso, lo que permitirá que las escuelas y clínicas de odontología reabran y operen de manera segura. Su investigación se publicará como un artículo destacado en la revista Physics of Fluids con el título Reapertura de la odontología después de COVID-19: Supresión completa de la aerosolización en procedimientos dentales por Viscoelastic Medusa Gorgo.
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Intervenciones para aerosoles generados durante la práctica clínica Más información: Física de Fluidos – «Reapertura de la Odontología después del COVID-19: Supresión Completa de Aerosolización en Procedimientos Dentales por Viscoelástica Medusa Gorgo» aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0021476 Proporcionado por la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Chicago. Agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-08-breakthrough-mitigate-covid-contamination-dental.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.