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自己动手的医疗设备和防护装备与COVID-19作斗争

自己动手的医疗设备和防护装备与COVID-19作斗争

这是一场与时间的赛跑,一些参与者把它比作阿波罗13号,那是一艘出了故障的美国国家航空航天局(NASA)的宇宙飞船,工程师们用可用部件临时拼凑了一个空气净化系统,以便把三名宇航员从月球接回来。

然而,在这种情况下,竞赛的目标是临时配备呼吸机、面罩、呼吸器、手术服、消毒湿巾和其他医疗设备,以帮助数十万人在未来几周内因致命的致命疾病而涌入医院。单是呼吸机的需求就可能是已经不堪重负的医院所能提供的四倍。

一个来自两大洲的大学研究小组正在使用3d打印部件、用于生日聚会的塑料衬里桌布、激光切割的齿轮和类似的替代品,竞相开发“自己动手”的医疗设备,这些设备可以在需要的地方用当地可获得的组件进行组装。团队成员认为他们有大约两周的时间来获得正确的设计,并与任何能够帮助满足需求的人分享它们。

“我们正在想办法让这些东西在我们现有的时间里规模化,”乔治亚理工学院乔治w伍德拉夫机械工程学院(George W. Woodruff School of Mechanical Engineering)的副教授Shannon Yee说。“我们正考虑非常迅速地生产产品,而这正是与成熟的生产来源建立联系将会有所帮助的地方。”

为医学界提供面罩

埃默里大学和佐治亚理工大学的华莱士·h·库尔特生物医学工程系是医疗需求和佐治亚理工大学广泛的技术知识之间的桥梁,佐治亚理工大学的研究人员定期与医院系统讨论他们的需求。到目前为止,洗手液、消毒剂湿巾、面罩、口罩和呼吸机已被确定为紧急需求。利用Flowers发明工作室的资源——比如3d打印——该组织已经生产了1000个面罩,并准备再制造数千个工具包,供医院使用。

佐治亚理工学院的师生们设计了一种快速简便的方法来制造面罩。资料来源:乔治亚理工学院

佐治亚理工学院的教师、学生和全球医疗创新中心(GCMI)参与了多个面罩的设计,并与亚特兰大儿童医疗保健中心、埃默里医疗保健中心和皮埃蒙特医疗保健中心的临床医生进行了交流,以进行评估和迭代。结果产生了两种不同的设计,用于医院设施的特殊用途,在那里,面罩保护临床医生免受溅起的水,并有助于延长过滤病毒颗粒的软呼吸器的寿命。

伍德拉夫机械工程学院(Woodruff School of Mechanical Engineering)院长山姆?格雷厄姆(Sam Graham)表示:“该团队努力识别材料供应商,并定义简单且可扩展的解决方案,以应对这一挑战。”“我们很幸运,有合作伙伴愿意与我们合作,帮助解决医院在医疗设备方面的一些不足。”

为了将制造规模扩大到佐治亚理工学院校园之外,该团队专注于简单的设计,这些设计可以与有制造空间的个人共享并由有注塑能力的主要制造商生产。该团队计划让任何有激光切割或3d打印能力的人都可以使用这些设计。

“一开始,我们只是想满足亚特兰大的需求,但各地的城市都需要它们,”化学与生物分子工程学院(School of Chemical and Biomolecular Engineering)的助理教授萨阿德·哈姆拉(Saad Bhamla)说。“我们已经创建了伟大的模型,可以用来创建其他人可以使用的指令管道。这些面罩将为其他设备型号的上市奠定基础。”

该集团正利用佐治亚理工学院(Georgia Tech)与企业的联系,寻找可用于“阿波罗13号”(Apollo 13)设备的替代材料供应商。包括伍德拉夫学院(Woodruff School)副教授克里斯托弗·索尔达纳(Christopher Saldana)在内的团队成员正在与GCMI就这些问题展开合作,他们在乔治亚理工学院(Georgia Tech)的创众空间(maker spaces)等地使用设备。

“佐治亚理工学院机械工程团队正在努力修改开源面罩的设计,使其能够大批量生产,以满足COVID-19所需的快速反应环境,”伍德拉夫学院副教授克里斯托弗·索尔达纳(Christopher Saldana)说。“我们的团队使用一系列产品和流程优化方法修改了这些设计,包括删除某些特性和标准化工具的使用。通过跨职能和跨学科团队的合作,并直接涉及医疗从业者和大批量制造商,我们将能够以所需的规模和速度应对这一努力。”

亚特兰大儿科技术中心儿童保健中心的首席运营和战略官Sherry Farrugia等人已经在幕后将佐治亚理工学院的专业知识汇集起来,以应对挑战,并开展合作。

她说:“作为首席战略官,我的工作是帮助弥合分歧,集中团队力量,集结军队,建立关键的联系。”“要做到这一点,需要深入了解谁在校园里做什么,以及私营部门的强大网络。”

供应链挑战

该团队正在建立一个网站(www.research.gatech.edu/rapid-response),既量化面罩的需求,又征集材料供应。由于全球供应链无法运输传统的PPE部件,它们正在寻找可能不属于这种生产的替代品。

面临的挑战是,每个人都在争先恐后地在国际供应链中寻找设备和材料,而此前应对过甲型h1n1流感的国家——中国、意大利和韩国——数月来的需求已经耗尽了这条供应链。随着美国医疗需求的增长,医院将不得不更有创造性地满足传统来源可能无法满足的需求。

随着重大的努力进入设计的地方来源的设备,专业的医疗设备原型和批准是必要的。这是一个由校友和当地公司组成的网络,以及佐治亚理工学院(Georgia tech)下属的GCMI。GCMI与世界各地的设备制造商合作,将设计转化为能够快速、低成本生产的设备。

GCMI首席执行官蒂芙尼?威尔逊(Tiffany Wilson)表示:“目前的目标是开发可以在本地采购的解决方案,我们现在就可以生产。”“我们正在与乔治亚理工学院和其他机构合作,研究如何修改设计,使之适应当前的环境。我们正在帮助确保设计经过临床验证,并考虑到可扩展性。”

除了在医疗设备方面的经验,GCMI还帮助寻找材料和组件的来源,并与FDA的监管机构合作,以帮助降低响应中的风险。

威尔逊说:“一些标准和FDA的新指导方针发生了变化,以加快生产速度,打开供应链,向市场提供更多的口罩和呼吸防护口罩。”“我们仍然需要关注控制水平和降低风险的战略。我们将紧跟这些变化。”

研究其他短缺的可能解决方案

虽然面罩是该团队正在开发的最成熟的项目,但研究人员也在研究医学界的其他需求。其中包括呼吸机、消毒湿巾和呼吸器。

阿波罗13号计划的一个例子可能是用来帮助危重病人呼吸的呼吸机。传统设备制造商正在尽可能快地工作,但这可能还不够快。Yee说,要想制造出全球通用的临时呼吸机,就必须尽量减少零部件的数量,并考虑机械的简单性。

克兰菲尔德大学(Cranfield University)竞争创意设计中心(Centre for Competitive Creative Design)主任莱昂·威廉姆斯(Leon Williams)正在与佐治亚理工学院(Georgia Tech)的研究人员合作,以“气囊面罩”(BVM)——也称为“Ambu气囊”(一种已经在医院使用的手持机械复苏装置)为基础,制造一种临时呼吸机。

通过一个激光切割齿轮和其他部件的系统,初步的构想是使用一个简单的三伏特发动机来压缩袋子,将空气推进危重病人的肺部。挑战之一是延长塑料袋的使用寿命,因为塑料袋不是为长期使用而设计的。

佐治亚理工学院和埃默里大学的华莱士·h·库尔特生物医学工程系主任苏珊·马古利斯说:“我们需要了解已经在使用的呼吸器的一切。”“通过了解每件东西是如何工作的,我们可以修改设计,使用我们能得到的组件。”

与面罩一样,该组织希望将其计划推广到其他组织进行迭代和生产。伍德拉夫机械工程学院(Woodruff School of Mechanical Engineering)负责研究的副院长德维什·兰詹(Devesh Ranjan)说,“这里有很多活动将推动这一进程。”兰詹正在协调乔治亚理工学院校园内的几个快速反应项目。

另一个被确认的需求是消毒湿巾,它看起来是一种足够简单的产品:一种无纺布材料,一种基于酒精或漂白剂的溶液。材料和解决方案似乎是可用的;问题是如何定位工业大小的容器来容纳它们。

“我们一直在寻找商业用抹布的容器,”格雷厄姆说。“我们发现问题出在容器上,但我们正在寻找其他解决方案。”他正在与化学和生物分子工程学院的院长David Sholl合作,寻找潜在的供应商。

呼吸器,棉签和防护服

保护医护人员不受冠状病毒感染需要一种特殊类型的呼吸器,一种可以清除空气中病毒颗粒的软口罩。由于病毒颗粒非常小,直径只有几百纳米,所以防护需要高效的过滤材料,而直到最近,这些材料大多是在中国制造的。

化学与生物分子工程学院(School of Chemical and Biomolecular Engineering)副教授赖安?莱弗利(Ryan Lively)表示:“这些过滤器的生产速度达不到所需的速度,因此我们一直在考虑,我们能把什么东西组装在一起,达到N95过滤器的水平,以保护医护人员的安全。”“我们需要制造一些可以用自制产品生产的东西,然后验证它可以进行所需的过滤。”

Lively一直在试验替代方案,比如为暖通空调系统生产的高效过滤材料,可以缝在布袋里。他说:“有一些期刊论文显示,过滤材料虽然不如N95有效,但仍然可以有效地增加对病毒粒子的排斥。”

如果这些工作需要的话,Lively可以在他的实验室中产生有限的数量。他说:“我们估计,我们可以利用现有的试验生产线,每周生产700个口罩,并对其进行再利用,以生产出疏水性纤维介质。”“这不会解决问题,但将有助于满足一个非常关键的需求。”

用于COVID-19检测的棉签也供应不足,用于保护医护人员的长袍也是如此。卡森·梅雷迪思是可再生生物制品研究所的所长,他正在乔治亚理工学院跨学科研究所的众多制造商中寻找替代能源。

他说:“我们的想法是把一种用于不同功能的基本材料转化成我们需要的产品。”一个例子是为聚会桌布制造的材料,一面是塑料,以防止溢出,另一面是纸,用于节日设计。“我们正在研究生产这些东西的机器是否能迅速转变成一件临时长袍。”

研究团队每天通过电话开会,互相更新所做的工作,并分享想法。他们通过国际交流频道了解其他类似组织在美国和世界各地的活动。

他们知道他们的原型生产设备不能满足世界的需求,所以他们与其他可能有能力的人分享计划。最终,主要制造商将迎头赶上,但这可能需要几个月的时间——也许对于预期的covid19感染曲线来说太长了。

“我们能做的最好的事情就是广泛地分享这些信息,以尝试提出使用当地可采购的零部件的解决方案,”Yee说,他指的是通风设备项目。“简单的解决方案可以使用人们随处可得的马达,3d打印的结构,以及可以用锯子手工切割的材料,这些都可以帮助我们度过难关。”

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