En smörgås av material som testats av Sandia National Laboratories tillverkas till N95-liknande andningsskydd som kan användas i lokala medicinska anläggningar. Projektet har sitt ursprung i det akuta behovet av personlig skyddsutrustning när covid-19-utbrottet började.

"Jag kan nästan försäkra er att ingen annan i landet tillverkar respiratorer som vi gör dem, sa Dave Mayberry, teknisk ledare för Marpac, Sierra Peaks och Sew-EZ, företagen som arbetat med Sandia om materialtestning. "Vi ville inte undersöka samma material som redan används i den typiska N95-försörjningskedjan på grund av tillgänglighetsproblem, så vi undersökte andra material vi kunde få tag på som verkade mest sannolikt uppfylla filtreringskraven."

Marpac, Sierra Peaks och Sew-EZ matchades med Sandia-forskare genom New Mexico Small Business Assistance-programmet som parar Sandia och Los Alamos nationella laboratorier med företag som söker hjälp med att lösa tekniska problem. Sandia arbetade med ett projekt med varje företag.

"Det har varit mycket tillfredsställande att se NMSBA, ett statligt program, hjälpa New Mexico-företag att ta itu med covid-19-problem, sa Jackie Kerby Moore, chef för teknik och ekonomisk utveckling på Sandia. "Det var också givande att se Sandia-teamet hoppa på möjligheten att hjälpa dessa tre företag med sina respiratorer."

Anpassa sig för att möta ett behov

Marpac är specialiserat på tillverkning av medicinska slangfästanordningar och arbetar nära med ingenjörs- och tillverkningsföretagen Sierra Peaks och Sew-EZ.

Mayberry tog kontakt med Sandia efter att ha fått en förfrågan från ett lokalt sjukhus för att se om företaget kunde hjälpa till att ta itu med den potentiella bristen på N95-respiratorer. Certifierade N95 andningsskydd bärs som masker och skyddar användare från 95 % av luftburna partiklar och vätskekontamination.

Sandia har utrustningen och expertis för att hjälpa, och inom några dagar efter att Marpac kontaktade, ett team av forskare började arbeta med den utmanande uppgiften att modifiera system för att se till att proverna testades ordentligt.

Sandias chefsutredare Michael Omana sa att laget modifierade aerosol- och filtreringssystem som vanligtvis används för kärnkraftsförebyggande arbete. De var tvungna att minska systemens luftflöde avsevärt för att efterlikna den hastighet som människor andas. De modifierade också befintliga testlådor för att snabbt montera och försegla proverna inuti innan de kördes genom testbädden.

"Vi blev avlyssnade om det första projektet med Marpac på en torsdag och utarbetade omfattningen av arbetet och kontraktet senast i fredags, "Sade Omana. "Senast måndag eller tisdag, vi hade slutfört alla systemändringar. Inledande testning av den första uppsättningen material slutfördes i slutet av veckan, och data lämnades till Marpac."

Inledande testmaterial underpresterade, med det bästa provet inom 10 % av de önskade filtreringsnivåerna. Inom ett par veckor, forskarna började se lovande resultat från nya materialsammansättningar. Kreativitet i att kombinera material resulterade i prover med skyddsnivåer jämförbara med N95 andningsskydd.

Marpac tillverkade 500 N95-liknande andningsskydd med de material som Sandia testade, och Mayberry sa att de klarade passformtest på ett lokalt sjukhus. De undersöker också ytterligare medicinska anläggningar som kan använda produkten.

"Vi känner oss lyckliga att den lokala sjukhusleverantören kom till oss efter att ha sett vår förmåga, " sa Mayberry. "Detta sträckte oss definitivt ut ur vår komfortzon, och absolut utan teknisk support från Sandia Labs, det skulle ha varit svårt att validera alla typer av material som troligen skulle kunna byggas in i en respirator."

Hoppar igång en lösning

Att arbeta snabbt var avgörande för projekten, Sandia framstående teknolog Dora Wiemann sa, och teamet lägger ner långa timmar – även på helgerna.

Projekten med varje företag byggde på varandra. För det första projektet med Marpac, forskare testade ark av kompositmaterial från företaget i de stora, modifierat filtreringssystem.

För det andra projektet med Sierra Peaks, ytterligare modifieringar av testboxar gjorde det möjligt för forskarna att montera och försegla prover skurna i respiratorgeometrier, och att slutföra jämförelsestudier mot certifierade N95-respiratorer.

Det tredje projektet med Sew-EZ, som pågår, innebär ytterligare provtestning med hjälp av filtreringssystemet och ett ytterligare kommersiellt tillgängligt system, som vanligtvis används av industrin för att certifiera produkter som N95 andningsskydd.

"Sandia är inte ett certifieringslabb, men den gemensamma användningen av systemen gjorde det möjligt för oss att tillhandahålla data som kan jämföras med produkter som har certifierats genom traditionella vägar, "Omana sa. "Denna information kommer att hjälpa företaget om det väljer att söka certifiering av sin produkt genom lämpliga organisationer."

Omana och ett par andra forskare testar materialen i labbet, vidarebefordra data för att bearbetas till kvantitativa resultat. Tidslinjen för alla projekt har varit snäv, men forskarna sa att lovande tester har varit givande, speciellt för att resultatet har potential att hjälpa människor under en kristid.

"Jag är glad över att vara i den position jag är så att jag kan hjälpa till med detta riktigt stora problem med att karakterisera material som kan användas för N95-ersättningar, ", sa Wiemann. "Vid slutet av de första ändringarna och testerna, vi var ett väldigt sammansvetsat team, lösa ett viktigt problem. Det var utmattande och spännande."