Ingenieros ofrecen soluciones de bricolaje para la escasez de equipos de coronavirus

Ingenieros ofrecen soluciones de bricolaje para la escasez de equipos de coronavirus

El mundo esta en Necesito desesperadamente de equipo de protección para mantener seguros a los trabajadores de la salud y ventiladores para ayudar a los pacientes gravemente enfermos con COVID-19 a respirar. Ante el aumento masivo de la demanda y el estancamiento de las cadenas de suministro, los ingenieros están luchando por rediseñar el equipo para que pueda producirse fuera de las fábricas especializadas.

Los investigadores de las instituciones académicas se basan en el espíritu del movimiento de fabricantes independientes, según Saad Bhamla, un bioingeniero del Instituto de Tecnología de Georgia. “Estamos aprovechando toda esta comunidad existente”, dice, y señala que muchas ciudades tienen clubes para entusiastas del bricolaje. Tales individuos a menudo ofrecen su tiempo como voluntarios en laboratorios de fabricación y espacios para fabricantes. Ahora la pandemia de COVID-19 les presenta un problema único. “La gente tiene un llamado a las armas”, dice Bhamla, “y están aprovechando sus habilidades creativas y de resolución de problemas”.

El enfoque de bricolaje es más evidente en el caso de las máscaras faciales: los aficionados comparten diseños e instrucciones que permiten a los aficionados coser sus propios revestimientos lavables. Algunos están donando estas máscaras a los hospitales, aunque en un entorno médico, dicho equipo no oficial solo puede servir como último recurso. Investigación previa ha demostrado que si bien las protecciones faciales caseras pueden reducir la propagación de microbios, son menos efectivas que las máscaras quirúrgicas producidas profesionalmente. Esta disparidad se debe en parte a que las máscaras quirúrgicas están hechas de materiales que son mejores para detener las gotas portadoras de virus que se rocían cuando los humanos estornudan y tosen que las telas como el algodón, que se usa en muchas versiones caseras. En lugar de depender de contribuciones de individuos, algunos hospitales están enviando materiales de grado médico a una variedad de fabricantes de ropa, desde diseñadores de moda. Christian Siriano a una Comunidad amish en Ohio, que han comenzado a producir en masa máscaras y vestidos más impermeables.

Pero las máscaras son solo un elemento del equipo de protección personal que necesitan los trabajadores de la salud, y no requieren un rediseño para que las máquinas de coser las fabriquen en masa. Equipo como los protectores faciales (láminas de plástico transparentes que los usuarios se atan a la frente para proporcionar una barrera adicional contra las gotas) son otra historia. Es posible MacGyver tal dispositivo de una lámina de plástico y bridas o bandas de goma, pero el proceso y los resultados llevarían demasiado tiempo y serían inadecuados para la producción en masa. En cambio, los ingenieros han ideado varias formas de hacer protectores faciales que las impresoras 3D y los cortadores láser pueden producir.

Protección facial

Bhamla es miembro de uno de los primeros equipos que adoptan un enfoque de bricolaje para los equipos de coronavirus, que se coordina en la plataforma de comunicación empresarial Slack. Cuando Nicholas Moser se unió al grupo por primera vez, llamó Ingeniería útil, dice que tuvo aproximadamente 300 participantes. A medida que su enfoque se centró en los diseños de lucha contra el coronavirus, la membresía aumentó a miles en el momento de escribir este artículo. Moser, que tiene experiencia como gerente de proyectos, se convirtió en líder de MASKproject, un subgrupo que tiene como objetivo desarrollar equipos de protección. El proyecto MASK rápidamente comenzó a refinar dos protectores faciales, y finalmente se enfocó en un diseño estilo origami. Cualquier troqueladora, cortadora láser o chorro de agua comercial puede cortar el diseño de código abierto de una lámina plana de plástico, que luego se dobla a mano en la forma tridimensional adecuada.

Moser dice que los protectores faciales de su equipo ya están saliendo a cinco hospitales, incluidos los de Nueva Orleans, Massachusetts y California, a un ritmo de aproximadamente 10,000 por semana. Otras organizaciones han seguido: tanto el Instituto de Tecnología de Massachusetts y Sistema de salud de la Universidad de Duke han anunciado que sus investigadores desarrollaron y probaron sus propios prototipos de careta. Al igual que el diseño del proyecto MASK, el escudo de M.I.T se produce en una máquina troqueladora y luego se dobla a mano, mientras que Duke Health usa una diadema impresa en 3-D.

En todos estos casos, los nuevos escudos se pueden producir en máquinas relativamente comunes: las cortadoras láser, troqueladoras e impresoras 3D se encuentran en muchos espacios de fabricación, laboratorios e instalaciones de producción que generalmente no fabrican equipos médicos. El equipo de Moser quiere trabajar con una variedad de socios para producir sus dispositivos, dice. “Todo, desde una pequeña tienda que hace tipografía (que corta trozos de papel en formas) hasta grandes fábricas que tienen troqueladoras de rodillos que pueden producir cientos de miles [of shields] un día ”, agrega Moser. Los dispositivos producidos por este llamado modelo de fabricación distribuida luego fluyen a un centro central para control de calidad y desinfección antes de ser enviados a los hospitales. “Parte de este proyecto, que es fascinante, es que nunca ha habido este tipo de fabricación distribuida”, dice. “Esta escala de fabricación distribuida nunca se ha hecho. Y las cadenas de suministro están funcionando increíblemente rápido, con todas estas personas “.

En necesidad de N95

Aunque la fabricación distribuida tiene la ventaja de la velocidad, requiere un equipo de reingeniería para que los artículos se puedan producir con máquinas como impresoras 3-D en lugar de dispositivos especializados. Y no todos los nuevos diseños cumplen con estrictos estándares médicos, que son particularmente importantes para los artículos principales que ahora son muy escasos: los respiradores N95. Las máscaras quirúrgicas pueden detener las gotas, pero los virus aún pueden atravesar el material. Esta posibilidad es preocupante cuando el aire se llena con partículas virales, lo que sucede cuando los médicos ventilan a pacientes con coronavirus gravemente enfermos. Para protegerse en tales situaciones, los profesionales médicos se ponen respiradores N95. Estas máscaras se ajustan perfectamente a la piel, solo admiten aire a través de un filtro denso que bloquea el 95 por ciento de las partículas muy pequeñas y al mismo tiempo permite a los usuarios respirar sin un esfuerzo excesivo.

El filtro dentro de un N95 está hecho de polipropileno hilado, un material actualmente escaso. Entonces Moser y sus colegas están diseñando un dispositivo similar que puede emplear otras sustancias. “Hemos diseñado y prototipado y estamos probando un protector facial independiente del filtro para que sea una alternativa al N95”, dice. El respirador MASKproject consiste en una base impresa en 3-D que puede ajustarse bien a la cara. El producto tiene una rejilla frontal que obliga al aire a ingresar a través de una pila de materiales de filtrado, incluidos los filtros de aire de partículas de alta eficiencia “que cumplen con la misma especificación de partículas que el N95. Por lo tanto, no están clasificados para ser utilizados de esta manera, pero tienen una clasificación similar “, dice Moser. Su grupo actualmente está probando los dispositivos tanto para filtrado como para transpirabilidad.

Sin embargo, es poco probable que el dispositivo MASKproject salte a través de todos los aros regulatorios que los respiradores certificados N95 deben pasar. “Los productos como los respiradores N95 pasan por un estricto proceso de prueba para ser calificados a ese nivel”, dice Julie Swann, profesora de ingeniería industrial y de sistemas en la Universidad Estatal de Carolina del Norte. Pero la pandemia actual no esperará a las pruebas: la Administración de Alimentos y Medicamentos anunciado recientemente que en situaciones de emergencia, las organizaciones estadounidenses pueden recurrir a sustitutos como los KN95, protectores comparables utilizados en China. Moser ve la alternativa de su equipo al N95 como una opción de respaldo similar. “Proyecto MASK, yo y Ingenieros serviciales: no estamos fabricando dispositivos médicos”, dice. “Estamos fabricando productos de uso general que estamos probando con los mismos estándares internacionales que los dispositivos comparables que escasean. Pero no están certificados, y no están regulados, y no están destinados para uso médico “. Moser señala que los hospitales pueden solicitar los dispositivos de MASKproject, “pero no se comercializan para uso médico”. A pesar de este descargo de responsabilidad, dice, su equipo está buscando la certificación de la FDA y el Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional en los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades de EE. UU.

Rediseño del ventilador

Al igual que los respiradores N95, los ventiladores deben cumplir con estándares extremadamente estrictos. Cuando la cantidad de oxígeno en la sangre de los pacientes con COVID-19 cae a niveles peligrosos, estas máquinas intentan respirar por ellos. Pero los dispositivos complejos y caros tienen un suministro limitado en todo el mundo, incluso como fabricantes aumentar su tasa de producción.

“En el Reino Unido, el problema es que nuestros fabricantes de ventiladores son fantásticos, pero la capacidad actual de fabricación es de aproximadamente 2,000 por año”, dice Mark Thompson, ingeniero de la Universidad de Oxford. Señala que el país necesitará muchas más máquinas que esa para soportar el número estimado de pacientes con COVID-19 que los necesitarán en los próximos meses. “Simplemente no es posible escalar la producción de ninguno de nuestros fabricantes de ventiladores”, dice. “Necesita tener una solución completamente diferente”.

Thompson es uno de varios investigadores que encabezan el desarrollo de un sustituto de ventilador de un solo uso inspirado en un producto existente: el bolsa de compresión que los trabajadores de la salud emplean para controlar manualmente la respiración de un paciente en situaciones de emergencia. Con un suministro de oxígeno y un aparato para automatizar el proceso de apretar y soltar, dicho dispositivo podría ayudar a una persona infectada a respirar durante un período prolongado de forma similar a un ventilador. En este caso, el equipo de Thompson quería lograr ese proceso automatizado con piezas disponibles para facilitar la fabricación del dispositivo. “Esencialmente, gira en torno a esta idea de tener muchos artículos de un solo uso [that] están ampliamente disponibles [and that] son todas piezas de equipo orientadas al paciente ”, dice. Después de un período de desarrollo vertiginoso de dos semanas, Thompson y sus colegas comenzaron a probar su sustituto de ventilador, llamado OxVent. Y actualmente se encuentran en la segunda ronda de pruebas para obtener la aprobación de la Agencia Reguladora de Medicamentos y Productos Sanitarios, un organismo del Reino Unido similar a la FDA en los EE. UU. Una vez que los desarrolladores obtengan la luz verde, planean contar con el fabricante de dispositivos médicos Smith + Nephew Producir su diseño de código abierto.

OxVent fue una entrada temprana en la carrera para rediseñar los ventiladores para una fabricación más rápida, pero no es el único contendiente. Tres grupos diferentes de físicos han desarrollado sus propios prototipos de ventiladores de emergencia. Y este mes el Desafío CoVent-19 lanzó un concurso abierto para nuevos diseños de ventiladores. El plan es que se desarrollarán en el transcurso de solo dos meses.

Estos diseños no serán tan sofisticados como los ventiladores normales. Por ejemplo, Thompson señala que el producto de su equipo tendrá que descartarse después de que se use en un solo paciente. También le faltará el equipo de monitoreo y las alarmas que tienen los ventiladores a gran escala. Por otro lado, las empresas podrán ampliar la producción de diseños de ventiladores de emergencia mucho más rápidamente utilizando el tipo de fabricación distribuida en la que también se basa el trabajo de Moser. “El desafío es [make] un número adicional de aproximadamente 20,000 ventiladores antes del pico de la epidemia “, dice Thompson. “Creemos que con ese tipo de sistema distribuido, tenemos la oportunidad de lograrlo”.

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