Ett internationellt team av forskare uppmanar fysikaliska forskare och ingenjörer att gå med i kampen mot den nya coronavirus-pandemin (COVID-19), och bidra till långsiktigt skapande av kunskap och teknik för infektionssjukdomar i luftvägarna i allmänhet.

Leds av Northwestern Universitys Jiaxing Huang, teamet har skrivit en perspektivartikel som publicerades i går (8 april) i tidskriften ACS Nano .

"Folkhälso- och sjukvårdspersonal står i frontlinjen för att begränsa och mildra spridningen av denna sjukdom, " skriver forskarna. "Även om ingripande biologiska och immunologiska svar mot virusinfektion kan tyckas långt ifrån fysik och ingenjörsvetenskap som vanligtvis arbetar med livlösa föremål, Det finns faktiskt mycket som kan – och bör – göras för att hjälpa till i en global kris som denna."

Ångest utlöste handling

Huangs tidiga oro för det första coronavirusutbrottet inspirerade honom att leda uppmaningen till handling. Känner mig förvirrad och maktlös, han klarade sig genom att studera läroböcker och medicinsk litteratur om luftvägsvirus.

"Den här övningen genererade många frågor och idéer, och jag insåg att mycket kunde göras av fysikaliska forskare och ingenjörer för att hjälpa, sa Huang, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Trots allt, innan virus plockas upp av en person, överföringen och spridningen sker i det fysiska rummet och i den materiella världen."

Huangs tidiga insats motiverade Haiyue Huang, en doktorand i sitt laboratorium på Northwestern, att gå med honom för att genomföra intensiv läsning, analys och brainstorming.

"Intellektuellt, det var en mycket stimulerande period, " sa hon. "Jag var förvånad över hur våra fysiska intuitioner - och ibland vilda gissningar - kan kopplas till observationer i medicinsk litteratur."

Lösningen får NSF RAPID-anslag

De två utarbetade först uppmaningen till handling för fysikaliska forskare och ingenjörer, och införlivade en del av det i en vitbok till National Science Foundation (NSF).

"NSF är perfekt positionerat för att samla fysikaliska forskare och ingenjörer för att agera på utmaningarna i samband med en kris som COVID-19, sa Huang, "Jag fick varm uppmuntran från avdelningen för materialforskning, och av en slump, NSF släppte snabbt en uppmaning efteråt för förslag genom deras RAPID-mekanism.

Huangs laboratorium fick ett RAPID-anslag, och Haiyue Huang blev en av de utsedda "nödvändiga" forskarna som arbetar dygnet runt för att utforska en kemisk moduleringsmetod på masken som kan minska smittsamheten hos virusfyllda andningsdroppar.

Bygga kontakter runt om i världen

För att validera deras hypoteser och idéer, Huang rådfrågade ett team av biomedicinska forskare och frontlinjekliniker i Kina för att förstå de problem de stötte på i sin kamp mot COVID-19, och att ytterligare polera strategier. Dr Xin Zheng, en Northwestern alumn, och för närvarande professor och läkare i Wuhan, Kina, svarade snabbt på Huangs samtal. I de första dagarna av covid-19, hon hade undrat över virusets oväntade drag och beteenden.

"Vi var under extremt hög press de dagarna, men vi valde att bekämpa detta virus, " sa Zheng. "Att vara läkare, alla här är soldater i den här striden."

Zheng är chef för avdelningen för infektionssjukdomar vid Union Hospital i Wuhan, som är knuten till Huazhong University of Science and Technology. Hon sa att fysikaliska forskare och ingenjörer kan fokusera på tre nyckelelement:blockera källan till virus, bryta spridningskedjan och skydda de mest utsatta befolkningarna.

"Vi bär alla personlig skyddsutrustning dagligen, ", tillade hon. "Vi vet att det finns mycket utrymme för förbättringar av fysikaliska forskare och ingenjörer."

Möjlighetsområden

I perspektivartikeln, forskarna beskriver områden där forskare och ingenjörer kan hjälpa:

• Sätt in nya barriärer längs infektionsvägarna baserade på fysikaliska vetenskaper och ingenjörsvetenskap;
• "Förorena" de utandade andningsdropparna med antivirala föreningar, minska livsdugligheten för virus vid källan;
• Konstruera stimuli-känsliga ytor för att påskynda inaktiveringen av virus som deponeras på dörrhandtag, pekskärmar, bänkskivor, och andra områden inuti sjukhus och hem;
• Gör personlig skyddsutrustning (PPE) effektivare, inklusive skyddsglasögon som inte dimmar och masker och dräkter som inte orsakar allergiska reaktioner eller påskyndar tröttheten hos läkare i frontlinjen, som redan är under enorm stress;
• Uppfinn smart PPE med förbättrat skydd, kommunikations- och övervakningsfunktioner för kliniker som arbetar i de farligaste situationerna;
• Utveckla nedbrytbara material och mer hållbara metoder för att bearbeta PPE-avfall av plast på ett säkert sätt;
• Tänk framåt om hög genomströmning, omkonfigurerbar och flexibel tillverkning som kan hantera den explosiva ökningen av efterfrågan på kritiska medicinska förnödenheter;
• Utveckla distribuerade testsystem med snabb provtagning i resultat, och snabb automatisk datainsamling för att bättre utrusta folkhälsoarbetare och beslutsfattare för att fatta snabbare och mer exakta beslut;
• Utveckla nya modellsystem för att bättre förstå hur virus överför, sprids och interagerar fysiokemiskt med sin omgivning.

Författarna framhåller att forskare fortfarande kan bidra även om de har liten eller ingen erfarenhet av infektionssjukdomar. Detta meddelande fick resonans hos Hua-Li Nie, en annan nordvästra alumn från Huangs grupp, och för närvarande docent vid Donghua University i Shanghai.

"När jag blev kontaktad av professor Huang, vem är min tidigare rådgivare, Jag var fast hemma vid den tiden." Nie sa. "Mitt område är inte direkt relaterat till infektionssjukdomar. Men jag blev fascinerad av professor Huangs förslag, och började studera ämnena. Snart insåg jag att det fanns saker jag kunde göra för att hjälpa, för. Så småningom, vi kunde få kontakt med några läkare i frontlinjen genom vänner till mina vänner och föra meningsfulla diskussioner på distans."

Proaktiv förberedelse

På Northwestern, Huang har redan uppmuntrat elever i sin klass Conducting Polymers det senaste vinterkvartalet att fundera över sätt att bidra.

"Jag vill att ingenjörsstudenter ska vara proaktiva och tänka på vad de kan göra för att hjälpa samhället, sa Huang, "Haiyue råkade vara min lärarassistent i den kursen, så hon övervakade två studenter för att demonstrera ett koncept för desinficering av ansiktsmasker genom elektrovärmning genom en ledande polymerbeläggning.

"Kris som covid-19-pandemin överskrider alla typer av gränser, sa Huang, "Jag hoppas att se människor spränga gränserna och arbeta tillsammans för att skapa lösningar."