低成本消毒设备可解决N95口罩短缺问题,帮助企业渡过难关。

2020 / 07 / 27

亚利桑那州立大学(ASU)光度实验室的学生创造了两种低成本,小型灭菌装置,该装置可用于一般个人防护设备,包括越来越稀缺的N95口罩。

他们希望帮助解决N95口罩短缺的问题,并帮助小型企业对口罩和其他在新冠疫情期间保持业务运转所需的设备进行消毒。 该项目只是光度实验室(Luminosity)对COVID-19疫情进行多方面应对的一部分。

在疫情初期,实验室中的学生一起决策,有效利用他们的各种技能对疫情产生积极影响。因此诞生了一系列的项目,从开发新颖的设备到协助小型企业适应封锁,以及通过光度实验室(Luminosity)的PPE 反应系统(PPE Response Network)生产和交付超过10,000件个人防护设备。

“在这些工作中,我们清楚地认识到为了减轻个人防护设备的需求增长,需要通过一种有效的方法对其进行灭菌和再利用来支持生产。 这与N95口罩相关,N95口罩需求量很大,但难以快速制造。” Luminosity Lab执行总监Mark Naufel说, “我们的学生生产的消毒系统是具有成本效益的、可扩展的解决方案,学校,企业和医疗服务提供者可以生产和利用这些解决方案来帮助减轻其个人防护设备的需求。”

N95口罩的问题

N95口罩可以过滤掉所有空气中95%的颗粒,这款口罩在疫情期间很难获得,但这并不是纯粹由于需求量大而引起的。

N95的制造也面临挑战,因为它们使用一种称为熔喷织物的特殊材料,这对口罩的过滤能力至关重要。 尽管工厂可以提高口罩的产量,但这种材料生产不易。 熔喷织物需要专门的机器来制造,机器本身要花费数百万美元,而组装大约需要六个月的时间。

这些因素,再加上N95口罩需求的增加,意味着医护人员被迫重复使用现有的口罩。

但是要重复使用这些口罩,必须对其进行消毒,这也带来了挑战。 现有的灭菌系统非常昂贵,并且仅针对大型场所(例如大型医院)而构建。 这使得较小的医院,诊所和其他小型企业无法轻易得对N95口罩和其他个人防护设备进行消毒,或者担负得起相关费用。

为N95口罩消毒是一项较大的挑战,因为每个无菌口罩必须符合过滤出95%空气中颗粒物的标准。 它还必须保持其与用户面部的独特贴合性,以确保气密性。

“看到一个由五个学生组成的团队如何真正创造出解决社会问题的创新解决方案,并将这些解决方案变成实际的、有影响力的产品,真是太酷了。” —亚利桑那州立大学本科生Nikhil Dave

机械工程专业的本科生凯蒂·帕斯卡维斯(Katie Pascavis)表示:“在设计这些系统时,我们必须确保它们不仅能消除细菌中的任何病毒颗粒,还要保证不损害个人防护设备的这些标准。” 作为Luminosity团队的一部分,他们专注于达到这些标准。

但是,如果要测试处理后的面罩上有多少病毒颗粒,需要拥有特殊实验室和设备,但学生们却没有这些资源。 因此,他们用专业途径以及渠道向大学全体教师发出了号召。

“我们很幸运能在亚利桑那州立大学(ASU)的生物设计学院(Biodesign Institute)以及其它学院中找到出色的合作者。 这些合作者确实帮助我们在实际测试协议方面取得了进步。”神经科学与创新社会本科生和团队负责人Nikhil Dave说。

该团队还花了一些时间测试N95口罩可以经过多少次灭菌过程并完好无损地出现在这些标准中。 这是一项重要的数据,因为重复使用N95口罩有悖于其一次性使用的初衷,人类系统工程学博士候选人兼团队成员David Wallace指出。

“我们从最开始就没想过重复使用的。 Wallace说:“这本质上就类似于,让别人像使用手帕一样,重复使用一张本该是一次性的面巾纸。”

可持续灭菌

该团队创建了两个灭菌系统。 第一种使用汽化的过氧化氢,旨在解决N95口罩短缺的问题。 第二种方法依靠臭氧,旨在为小型企业提供一种对各种物品(包括衣物和可重复使用的口罩)进行消毒的方法。 即使没有电臭氧系统也可以正常运作,可以用汽车电池运行。

Dave说:“臭氧系统特别值得注意的是,与大多数常见的灭菌系统甚至我们自己的汽化过氧化氢系统不同,我们不需要在其中添加任何物质来生成灭菌剂。” “相反,我们所需要的只是一种动力源,它将不断产生臭氧气体。 因此,它在环境上可持续发展,并且更具成本效益。”

“这两种系统的优点在于它们非常易于制造。 他们不需要专门的工具,”电气工程硕士研究生John Patterson补充说,他负责团队的原型设计和构建。 “这些东西甚至都不需要专业人员制造。 这些可以由业余爱好者构建。 它们可以由工程专业的学生团队构建。 任何对合作和贡献感兴趣的人都可以做到。”

该团队通过两个系统的治疗周期放置了新的N95口罩。 在臭氧系统中经过五次循环后,在汽化过氧化氢系统中经过了二十次循环后,经过处理的口罩的性能与未经处理的新口罩相同,这表明在达到这些循环次数之前,这些系统并未削弱口罩的过滤能力。 但是,研究小组指出,每经过一次循环,口罩会遭受更多的磨损,并且磨损速度可能更快。

便携式,有效且价格合理

光度实验室(Luminosity)团队从绘图板到申请专利的过程速度惊人。 在不到三个月的时间内,他们设计,开发,科学验证并提交了两个灭菌系统的发明专利。 现在,他们希望继续保持这种势头,以便将系统应用到到可能有帮助的任何领域。

Dave说:“看到一个由五个学生组成的团队如何真正创造出解决社会问题的创新解决方案,并将这些解决方案推向实际的,有影响力的产品,真是太酷了。”

他们指出,成功的关键在于他们能够与许多亚利桑那州立大学(ASU)部门以及外部医疗合作伙伴合作。

“这是一个很好的机会,可以看到协作如何为参与的每个人带来成功,包括建立这些系统,尽快对其进行测试,以及希望通过将这些技术加以应用,从而挽救尽可能多的生命。””帕特森说。

为了社区能够使用他们的技术,他们有意识的使用低成本的材料创建系统。 蒸汽过氧化氢灭菌系统已经存在,但它们仅适用于大型医院等大型场所,成本高达100万美元。

但是,用于学生的汽化过氧化氢系统的材料成本约为300美元。 臭氧系统甚至更便宜,其材料成本约为60美元。 该系统将价格可承受性与便携性相结合,并且与价格更高的大型机器一样有效地进行了消毒。

这使它们可用于各种场合-不仅是医院和诊所,还有学校、企业和资源较少的场所。

Pascavis补充说:“在发展中国家或其他地方,人们可能无法负担得起大量个人防护设备,对于他们来说,这也是重复使用设备并以更可持续的方式削减部分成本的一种好方法。”

迎接新常态

尽管COVID-19的未来是不可预测的,但在可预见的未来,面罩和个人防护设备似乎仍将是社会的一部分。

“许多大小公司都要求使用口罩以降低COVID-19的传播性。 因此,我认为,随着个人防护设备成为我们日常生活的一部分,我们将必须找出创新方法来重复使用一次性使用的设备,” Dave说。

该小组正在与亚利桑那州商业管理局和亚利桑那州州长办公室协商,以确定它们如何帮助将这些系统推广到全州的企业和学校,从而使我们能够重新开放。 他们还将系统发送到了州内的一些医疗机构,包括班纳健康中心(Banner Health),这些医疗机构正在为团队提供反馈意见。

然而,那些有兴趣使用该团队设计的人不需要等待产品的推出。最近,他们通过在预印本服务器MedRxiv上发布臭氧系统和汽化过氧化氢系统的构建和使用说明。

想要获得其中一些单位的企业和其他实体,以及有兴趣帮助生产更多这些系统以满足社区需求的制造商,请通过邮箱mnaufel@asu.edu与光度实验室(Luminosity Lab)总监Mark Naufel联系。

“系统已经准备就绪,”Dave说。 “我们希望更多的人是使用它,启示谁都可以使用。”

上图:团队成员John Patterson检查了亚利桑那州州立大学(ASU)光度实验室发明的两种灭菌系统之一。 照片由John Patterson提供

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