À peu près à la mi-mars, lorsque l'Université de Lehigh est passée à l'apprentissage à distance et que les chercheurs ont commencé à fermer les laboratoires sur le campus, Nelson Tansu, Daniel E. '39 et Patricia M. Smith, professeur titulaire de la chaire dans le département d'électricité et d'informatique (ECE), a reçu un courriel du Dr Christopher Roscher, anesthésiologiste du Réseau universitaire de santé St. Luke.
Roscher savait qu'une pénurie de masques N95 mettrait encore plus en danger les médecins et les infirmières traitant les patients COVID-19. Alors que St. Luke's s'efforçait d'augmenter son approvisionnement en équipements de protection individuelle essentiels (EPI), l'hôpital avait besoin d'un moyen sûr et efficace d'étendre l'utilisation de son approvisionnement existant. Roscher avait mené des recherches personnelles sur l'utilisation de la lumière UV pour la décontamination et découvert des publications évaluées par des pairs dans des revues médicales qui suggéraient que, dans une situation de pandémie, l'utilisation de la lumière UV pourrait être une alternative raisonnable si plus de masques n'étaient pas disponibles. Il a demandé à Tansu, également directeur du Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics (CPN) et membre de la U.S.National Academy of Inventors (NAI), s'il pensait qu'une équipe de Lehigh pourrait aider.
St. Luke's, comme de nombreux autres hôpitaux, essaie de conserver ce que nous avons. Nous avons abordé cette idée en comprenant que dans un monde idéal, nous aurions un nouveau masque pour tous ceux qui en auraient besoin, mais la réalité de la situation est que nous devons conserver. «
Dr Christopher Roscher, anesthésiologiste au Réseau universitaire de santé St. Luke
La réponse de Tansu à ce premier e-mail a été rapide: oui, il pensait que cela pouvait être fait. Cette nuit-là, lui et ses collègues ont discuté d'un plan potentiel avec Roscher. Le lendemain, il a réuni une équipe de bénévoles enthousiastes – des membres du personnel et des étudiants du CPN et du département de génie électrique et informatique (ECE) de Lehigh, tous pratiquant la distanciation sociale chez eux.
« Si nous sommes à bord, alors nous pouvons transformer cette idée en réalité », leur a dit Tansu. « Avec l'équipe de médecins, nous devons trouver une solution que nous pouvons construire dans nos garages. »
Et c'est ce qu'ils ont fait. Grâce à une collaboration innovante via des réunions Zoom, des appels téléphoniques et des centaines d'e-mails et de SMS, Tansu, Roscher et leur équipe ont conçu, achevé la fabrication technique et installé l'appareil en 2,5 semaines – sans jamais marcher sur le campus de Lehigh ou rencontre tête à tête.
Le système de stérilisation UV à haut débit, maintenant utilisé à St. Luke's, peut décontaminer 200 masques N95 toutes les huit minutes. Le système, officiellement nommé «système de stérilisation ultraviolet symétrique à haut débit», mais que l'équipe de St. Luke a surnommé le «Bug Zapper» en raison de sa ressemblance avec le dispositif de destruction des insectes utilisé par les propriétaires de maison en buggy arrière-cours, « zappe » les masques avec une lumière UV-C. Cette gamme spécifique de lumière ultraviolette peut provoquer des changements dans l'ADN et l'ARN des virus et autres agents pathogènes, y compris le coronavirus, les désactivant efficacement. L'équipe a déposé deux demandes de brevet associées à la nouvelle invention.
Une solution 'LEGO-box' pour la pénurie de masques
Le « Bug Zapper » a un grand cadre métallique octogonal avec des lampes UV positionnées en son centre pour obtenir une irradiation UV-C symétrique sur les masques N95. Sa capacité cible est d'environ 3 000 masques N95 par jour (200 masques par exposition), mais St. Luke peut faire évoluer jusqu'à 10 000 masques par jour si nécessaire.
L'objectif, explique Tansu, était d'utiliser suffisamment de lumière UV-C pour endommager les virus et les bactéries mais de conserver l'intégrité du masque N95, qui peut être dégradé de manière plus importante au fil du temps par la vapeur ou les produits chimiques. Les membres du personnel de St. Luke's surveillent les expositions avec un appareil appelé radiomètre, qui mesure la quantité d'irradiation lumineuse à laquelle les masques sont exposés, et ils prennent soin de protéger leur peau et leurs yeux lors de la stérilisation des masques.
La conception initiale de l'équipe était de forme cylindrique pour assurer une exposition uniforme, mais cette approche nécessiterait que le personnel de St.Luke fasse pivoter individuellement chacun des 200 masques à 180 degrés à mi-chemin de l'exposition pour décontaminer chaque côté, explique Tansu.
Le fils de 8 ans de Tansu, Axel, a rejoint le projet avec une contribution essentielle au taux de débit élevé de l'appareil. Il a suggéré que l'appareil devrait avoir une forme octogonale à la place, pour permettre au personnel de St. Luke de retourner facilement le cadre sur chacun des huit côtés pour faire pivoter les masques, plutôt que de faire tourner chaque masque individuellement.
« Cela a eu un impact dramatique », explique Tansu.
La conception finale – un véritable effort de collaboration – était prête en seulement deux jours.
Tout le monde a continué à construire sur l'idée. C'était vraiment cool. Nous étions au même niveau tout au long: personne n'était médecin ou technicien ou quoi que ce soit. Nous étions juste là pour essayer de résoudre le problème. «
Anthony Jeffers, ingénieur de recherche au CPN
Dans un effort pour maintenir les directives de distanciation sociale et éviter de mettre quelqu'un en danger, l'équipe a ensuite divisé le projet en tâches individuelles pour construire le dispositif de manière modulaire. Après avoir déterminé les matériaux dont ils auraient besoin, les membres de l'équipe ont fait livrer les matériaux à leur domicile, où ils ont travaillé, souvent dans des garages, sur les composants qui leur avaient été attribués, les complétant en moins de cinq jours.
« Le premier membre du personnel a construit une certaine partie et le deuxième membre du personnel a construit la deuxième partie », explique Tansu. Ce qui a suivi, plaisante-t-il, aurait pu regarder un observateur extérieur comme une activité illégale: chaque membre de l'équipe a déposé une pièce à un endroit précis à un moment donné et est resté dans sa voiture pour le surveiller de loin jusqu'à Saint-Luc. représentant l'a ramassé.
« Ensuite, ils l'ont assemblé comme une boîte LEGO », explique Tansu.
L'ingénieur biomédical de St. Luke, Jay Johnson, a travaillé avec des machinistes pour assembler l'unité à l'hôpital. « (Jay était) un élément vraiment critique de la pièce translationnelle », explique Roscher. « Fondamentalement, il était le réalisateur, si Nelson et moi étions les scénaristes (du projet). »
Avec l'aide à distance de Tansu et de son équipe, l'équipe de St. Luke a effectué des tests pour déterminer la dose appropriée de lumière UV-C, ainsi que des tests microbiologiques pour déterminer l'efficacité de l'appareil.
Puis ils sont partis et ont couru – en un temps record.
« Je travaille dans ce domaine depuis longtemps en tant qu'ingénieur et scientifique », explique Tansu. « Généralement, nous prenons le temps de le concevoir, de l'optimiser, de l'analyser davantage, de préparer un plan expérimental, de le créer, de le tester et de l'utiliser. C'est une période très longue, généralement, en particulier dans le milieu universitaire. Cela peut prendre des mois. Mais c'est l'un des temps les plus courts que j'ai vus de l'idée à l'exécution de l'idée jusqu'à son installation et son test et son utilisation. «
Dit Jeffers: « Tout le monde en avait juste un petit morceau. Et puis tout s'est réuni à la fin là-bas. Tout faire sans être physiquement en contact avec personne – je ne sais pas combien de fois cela a été fait dans quoi que ce soit , pour finir avec ce que nous avons fini et il n'y a jamais eu deux personnes ensemble à un moment donné. C'est plutôt génial. «
Chaque contributeur à ce projet, dit Tansu, a joué un rôle clé dans la réussite du résultat final. « De mon point de vue, si nous n'avions pas deux ou trois des contributeurs dans la liste, le projet pourrait être considérablement retardé ou ne pas être achevé à temps », dit-il. « Nous sommes très chanceux d'avoir une équipe aussi engagée pour mener à bien cette tâche en si peu de temps. »
En plus de Tansu et Jeffers, les principaux participants de l'équipe de Lehigh étaient Theodore L. Bowen, ingénieur de recherche au département ECE; Grant Reed, ingénieur de recherche au CPN; Renbo Song, responsable scientifique au CPN; Ankhitha Manjunatha, Axel Y. Tansu et Adela Gozali Yose. Le Dr Eric Tesoriero, également anesthésiste, s'est joint à Roscher et Johnson à St. Luke's. Alex Schiffman '21, étudiant au programme de spécialisation en affaires et ingénierie intégrées (BIE) de Lehigh et parent d'un cardiologue de St. Luke, et Svetlana Tatic-Lucic, professeur de génie électrique et informatique et de bio-ingénierie, ont joué un rôle dans la connexion entre Roscher et Tansu. Membres du corps professoral du CPN, dont Jonathan J. Wierer, Jr., professeur agrégé de génie électrique et informatique; Volkmar Dierolf, professeur et président de physique; et Sushil Kumar, professeur agrégé de génie électrique et informatique; et Ivan Biaggio, professeur de physique, a également contribué à la discussion initiale de ce projet.
«Nous sommes très reconnaissants d'avoir pu aider à concevoir et à construire le système de stérilisation à masque à haut débit N95 en réponse à la crise du COVID-19», a déclaré Tansu. « En fin de compte, ce sont les professionnels de la santé qui prennent la haute responsabilité de répondre à ce problème de pandémie de coronavirus. Ils courent un risque très élevé au travail, et je suis heureux que notre équipe soit au moins en mesure de aider un peu à leur assurer que leurs masques sont stérilisés. «
