En cette ère de COVID-19, suivre la maladie de manière suffisamment adéquate pour permettre aux autorités étatiques et locales de lever les commandes d'abris sur place et de revenir à un semblant de normalité en l'absence de vaccin nécessitera des tests à grande échelle, selon des experts médicaux.
Cependant, de tels efforts de test étendus ont été entravés en raison d'une pénurie d'écouvillons nasopharyngés (NP), l'outil préféré utilisé par les cliniciens pour collecter des échantillons pour les diagnostics COVID.
Pour résoudre le problème, les ingénieurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont formé une équipe de réponse rapide et ad hoc qui a testé plus d'une douzaine de nouveaux modèles de tampons nasaux imprimés en 3D (des centaines de tampons individuels) à partir d'une coalition populaire de partenaires commerciaux et universitaires.
Les tests mécaniques effectués au laboratoire, simulant la façon dont les écouvillons pourraient être utilisés dans un environnement clinique, ont fourni des commentaires précieux qui ont amélioré les conceptions, leur permettant de répondre aux exigences des tests COVID-19.
L'un des modèles d'écouvillon a depuis reçu le statut d'exemption de la Food and Drug Administration des États-Unis et est mis à la disposition des prestataires de soins de santé. Les travaux du laboratoire sur les écouvillons se poursuivent grâce à un financement du Département américain de l'énergie (DOE) et à l'extension à d'autres composants imprimés en 3D pour les kits de test COVID-19.
Nous cherchions où nous pouvions contribuer. Nous avons une expertise à tous les niveaux en termes de conception, de matériaux, de tests et de capacités de fabrication, mais cela devait évoluer si rapidement que nous avons examiné les lacunes du groupe avec lequel nous travaillions. Vous pourriez passer des années à y travailler pour trouver le design le plus parfait -; nous n'avions pas ce genre de temps. Ça devait être assez bon pour sortir maintenant. «
Angela Tooker, ingénieure, Lawrence Livermore National Laboratory
Pris en charge l'effort de test de l'écouvillon.
En mars, alors que l'utilisation des écouvillons nasaux augmentait considérablement, Ramy Arnaout, pathologiste au Beth Israel Deaconess Medical Center de l'Université Harvard, a lancé un appel aux fabricants pour obtenir de l'aide. L'un des plus grands fournisseurs d'écouvillons NP, basé en Italie, a été contraint de suspendre les expéditions vers les États-Unis.
L'hôpital n'ayant pas pu les obtenir auprès de l'autre grand fabricant d'écouvillons, une entreprise américaine qui peinait à répondre à la hausse de la demande, les cliniciens manquaient de stocks.
Bien que simples dans leur concept, les écouvillons NP spécialisés ne sont pas faciles à produire. Près de six pouces de long, les écouvillons doivent être suffisamment flexibles pour atteindre les cellules dans la partie supérieure de la gorge sans endommager les tissus, mais suffisamment rigides pour permettre au clinicien de les insérer de plusieurs pouces dans la cavité nasale et de les faire pivoter pour recueillir des échantillons sans se casser .
L'appel d'Arnaout est devenu l'initiative open source Github Covidswab, qui a attiré des institutions telles que l'Université Harvard, l'Université de Stanford, l'Université de Floride du Sud, l'armée américaine et des entreprises comme HP, Abiogenix et FATHOM, une société informatique de soins de santé basée à San Francisco, une longue LLNL 3D – partenaire d'impression dont le siège est à Oakland.
Compte tenu de la grave pénurie d'écouvillons et de la situation dynamique au début de la pandémie de COVID-19, la communauté de Covidswab ne pouvait pas se permettre de se reposer sur ses lauriers, et l'équipe LLNL a offert toute forme de soutien pour soutenir l'effort. FATHOM a connecté le laboratoire à l'équipe plus large de Covidswab, qui avait besoin d'aide pour tester plus de 100 modèles de tampons imprimés en 3D proposés.
Bien qu'une gamme de conceptions ait rapidement émergé et que les prototypes aient été produits en quelques heures à l'aide de l'impression 3D, la boucle de conception-construction-test devait être achevée.
Le groupe Covidswab a rapidement placé des tampons imprimés entre les mains des cliniciens pour une évaluation qualitative (évaluations effectuées par sensation physique et observation), mais les évaluations quantitatives (tests effectués avec des machines qui rapportent des valeurs numériques) faisaient défaut.
« Notre contribution a été de développer des protocoles d'essais mécaniques et d'exécuter rapidement une batterie de tests pour la mesure quantitative de la réponse mécanique des écouvillons », a déclaré Eric Duoss, ingénieur LLNL, qui a aidé à guider l'équipe du laboratoire. « En travaillant en étroite collaboration avec nos partenaires, LLNL a contribué à accélérer le cycle de découverte en fournissant des résultats qui ont directement informé les remaniements, conduisant finalement aux améliorations de performances nécessaires pour répondre aux exigences fonctionnelles. »
Dans le laboratoire de fabrication avancée (AML) du laboratoire, Tooker a testé une variété de conceptions initiales – bon nombre d'entre elles imprimées et expédiées au LLNL par HP et Abiogenix, et d'autres qui ont été imprimées en interne sur la base de conceptions de Formlabs, une impression 3D compagnie.
Elle a soumis les prototypes aux épreuves de traction (séparation), de torsion (torsion) et de flexion, en évaluant leur échec et a examiné les effets de la stérilisation (autoclavage) sur les performances des écouvillons.
En l'absence de «livre de cuisine» facilement disponible pour tester les écouvillons, Tooker et l'équipe du laboratoire ont développé et publié leurs propres procédures de test. Les résultats ont été utilisés pour comparer les propriétés des matériaux et les performances des différentes conceptions et ont permis à l'équipe de Covidswab de les améliorer de manière itérative.
Selon Tooker, trouver le bon design pour un écouvillon nasal qui fonctionnerait dans un environnement réel est un équilibre plus délicat qu'il n'y paraît en surface.
« Vous mettez les écouvillons à travers les pires scénarios en ce qui concerne les aspects cliniques, mais s'ils peuvent résister à ces tests, il y a une grande confiance qu'ils ne vont pas casser dans la clinique », a expliqué Tooker.
«Le défi est de savoir comment le faire fonctionner comme vous le souhaitez, mais aussi de garantir une expérience aussi confortable que possible pour le patient. Vous ne voulez pas qu'il se casse pendant le test, mais une fois que vous avez obtenu votre échantillon , vous en avez besoin pour vous interrompre afin de passer aux prochaines étapes des tests. «
L'un des 14 modèles testés par LLNL, l'écouvillon FAST Spiral NP d'Abiogenix, fabriqué par FATHOM et imprimé avec la technologie d'impression 3D HP, a subi 25 itérations.
Il a été évalué dans un essai clinique mené par Beth Israel Deaconess Medical Center, où il a été identifié comme l'un des quatre prototypes d'écouvillons imprimés en 3D, sur 150 modèles examinés par les cliniciens, qui pourraient être utilisés pour les tests COVID-19. L'écouvillon a reçu le statut d'exemption de la FDA et peut être commandé par les cliniques médicales et les prestataires.
« LLNL a joué un rôle déterminant dès le début en nous aidant à traduire nos contraintes cliniques informelles en tests mécaniques formalisés », a déclaré Goutam Reddy, fondateur et PDG d'Abiogenix.
« Que ce soit par l'autoclavage, des études de vieillissement, des tests de torsion et de traction ou même la modélisation du mucus, la confiance du cerveau au LLNL a pu creuser et nous aider à fournir un écouvillon imprimé en 3D plus sûr et mécaniquement robuste. Nous sommes reconnaissants à Angela et à son équipe pour avoir aidé Abiogenix à faire face à la pénurie d'écouvillons et pour avoir aidé notre pays à se remettre sur pied. «
L'équipe termine la dernière série d'essais mécaniques et attend les commentaires des entreprises et des cliniciens pour d'éventuels ajustements aux conceptions, mais le travail ne s'arrête pas là.
L'équipe a récemment reçu un financement du DOE pour poursuivre la recherche de nouveaux modèles d'écouvillons imprimés en 3D, déterminer leur compatibilité avec les techniques d'amplification de l'ADN par réaction en chaîne par polymérase (PCR) et élargit ses travaux pour développer des prototypes imprimés en 3D pour les flacons et autres consommables utilisés dans les kits de tests nasaux. , également en nombre insuffisant.
« Cet effort m'a vraiment rappelé que le LLNL est vraiment un atout national capable de répondre rapidement à une situation de crise », a déclaré Chris Spadaccini, directeur du Lab's Center for Engineered Materials and Manufacturing.
« Nous sommes impatients de continuer à contribuer avec nos partenaires du DOE et d'autres laboratoires nationaux. Ensemble, l'ensemble du complexe du DOE a un impact, et nous travaillerons à résoudre les problèmes évolutifs de la chaîne d'approvisionnement associés aux consommables pour la réponse COVID-19. »
Les objectifs des recherches en cours sont d'améliorer les nouveaux modèles, d'évaluer leurs performances et d'identifier d'autres méthodes de fabrication potentielles, telles que le moulage par injection, pour les produire à grande échelle.
Dans le cadre d'un autre consortium comprenant une importante société de fourniture de dispositifs médicaux, l'équipe procède également au prototypage de conceptions pour des flacons de test moulés par injection qui pourraient être produits par dizaines de milliers chaque jour.
Tooker a effectué l'essentiel des tests mécaniques sur site dans la LMA, mais le groupe comprenait d'autres ingénieurs de laboratoire travaillant à domicile qui ont aidé à commander des matériaux, à rechercher la documentation disponible et à définir les paramètres de test.
L'ingénieur LLNL Du Nguyen a élaboré les conceptions de modèles 3D pour l'impression, Dennis Freeman et Greg Larsen ont assisté aux tests de prototypes, et les chercheurs Erica Fong, Caitlyn Cook, Jack Davis, Ishan Joshipura, Andrew Wong et Joshua DeOtte ont participé aux travaux de soutien, y compris les recherches documentaires et développer des protocoles de test. Les ingénieurs de LLNL Spadaccini, Duoss, Maxim Shusteff et Razi Haque ont fourni des conseils au groupe.
Pour Tooker, l'effort de collaboration a illustré le travail d'équipe et a démontré la volonté des experts de se réunir dans une crise, avec un sentiment d'urgence, pour résoudre des problèmes imminents.
« Je suis impliqué dans la recherche de dispositifs médicaux depuis longtemps et c'est la première fois que vous pouvez voir les avantages immédiatement, et c'est puissant », a déclaré Tooker. « Presque tout le monde ici a voulu aider. Ce fut certainement une expérience enrichissante. »
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