Bristen på personlig skyddsutrustning (PPE) tillgänglig för sjukvårdspersonal har blivit allt mer problematisk i takt med att fall av Covid-19 fortsätter att öka. Den stora mängden personlig skyddsutrustning som behövs för att hålla både läkare och deras patienter säkra i denna nuvarande kris är skrämmande – till exempel kommer tiotals miljoner engångs ansiktsskydd att behövas över hela landet varje månad. Denna vecka, ett team från MIT lanserade masstillverkning av en ny teknik för att möta den höga efterfrågan på ansiktsskydd för engångsbruk.

Ansiktsskyddsdesignen i ett stycke kommer att göras med en process som kallas stansning. Maskiner kommer att skära designen från tusentals platta ark per timme. När lådor med dessa platta lakan anländer till sjukhus, Vårdpersonal kan snabbt vika ihop dem till tredimensionella ansiktsskydd innan de justerar för korrekt ansikte.

"Dessa ansiktsskydd måste tillverkas snabbt och till låg kostnad eftersom de måste vara av engångstyp, " förklarar Martin Culpepper, professor i maskinteknik, chef för Project Manus, och en medlem av MIT:s ledningsgrupp om tillverkningsmöjligheter för Covid-19. "Vår teknik kombinerar billiga material med en höghastighets tillverkningsprocess som har potential att möta behovet av ansiktsskydd i hela landet."

Culpepper och hans team på Project Manus ledde utvecklingen av tekniken i samarbete med ett antal partners från MIT, lokala sjukhus, och industri. Teamet har haft ett nära samarbete med MIT Medical Outreach och Crisis Management Unit som inrättats av vicepresident för forskning Maria Zuber och under ledning av professor Elazer R. Edelman.

Initial tillverkning av sköldarna kommer att göras av Polymershapes, baserad i Boston, Massachusetts med planer på att expandera över hela landet genom femtiofem ytterligare Polymershapes-platser.

Förlänger livslängden för ansiktsmasker

När den används på rätt sätt, ansiktsmasker bör bytas varje gång en läkare eller sjuksköterska behandlar en ny patient. Dock, under den senaste månaden har många vårdpersonal blivit ombedda att bära en ansiktsmask per dag. Den ena masken kan bära viruspartiklar på sig – vilket kan bidra till spridningen av Covid-19 inom sjukhus och äventyra vårdpersonal.

"Bristningen på adekvat skyddsutrustning eller tanken på att återanvända potentiellt förorenad utrustning är särskilt skrämmande för vårdpersonal som lägger sina liv, och i förlängningen deras familjers liv och välbefinnande, på linjen varje dag, " förklarar Edelman, Direktör för MIT:s Institute for Medical Engineering and Science, Edward J. Poitras professor i medicinsk teknik och vetenskap, och ledare för MIT:s PPE-arbetsgrupp som Culpepper tjänstgör i.

Ansiktsskydd kan lösa detta problem genom att tillhandahålla en annan enhet för skydd som täcker hela ansiktet, lägga till ett lager av skydd, täcker masker och mer samtidigt som de förlänger livslängden på ansiktsmasker och andningsskydd. Sköldarna är gjorda av klara material och har en form som liknar en svetsmask. De skyddar vårdpersonalen och deras ansiktsmask från att komma i direkt kontakt med viruspartiklar som sprids genom hosta eller nysningar.

"Om vi ​​kan bromsa hastigheten med vilken sjukvårdspersonal använder ansiktsmasker med engångsskydd, vi kan göra en verklig skillnad i att skydda deras hälsa och säkerhet, " förklarar Culpepper.

Culpepper och hans team på Project Manus satte sig för att designa en ansiktsskärm som snabbt skulle kunna tillverkas i en skala som är tillräckligt stor för att möta den växande efterfrågan. De landade på en platt design som människor snabbt kunde vika ihop till en tredimensionell struktur när skölden var klar för användning. Deras design innehåller även extra skydd med flikar som viker sig under nacken och över pannan.

Eftersom mycket av MIT:s campus stannade i ljuset av sociala distansåtgärder som infördes, Culpepper började göra prototyper med en laserskärare som han hade i sitt hus. Tillsammans med lite designinput från hans barn, han testade olika material och gjorde de första tio prototyperna hemma.

"När du tänker på material, du måste ha försörjningskedjor i åtanke. Du kan inte välja ett material som kan avdunsta från försörjningskedjan. Det är ett utmanande problem i denna kris, " förklarar Culpepper. Efter att ha testat några material som spricker och gick sönder när de böjdes, teamet valde polykarbonat och polyetylentereftalatglykol – mer känd som PETG – som sköldens material.

Förutom att göra fler prototyper på Project Manus Metropolis Makerspace med hjälp av en laserskärare, Culpepper arbetade med professor Neil Gershenfeld och hans team vid MIT:s Center for Bits and Atoms (CBA) på snabbprototypdesign för testning med en Zund storformatskärare.

Gershenfelds team på CBA arbetar med ett antal projekt för koronavirussvar med hjälp av sin digitala tillverkningsanläggning vid MIT såväl som det globala Fab Lab-nätverket som det lanserade. "Reaktionsplatsen för coronaviruset är en fantastisk resurs för dem som är intresserade av att arbeta med lösningar för PPE och enheter för Covid-19-pandemin, " tillägger Culpepper.

"Det har varit ett nöje i denna svåra tid att samarbeta med en så imponerande grupp, att dra nytta av alla institutets styrkor för att snabbt definiera och förfina en lösning på ett akut behov, " säger Gershenfeld. "Arbetet vid MIT kommer att vara värdefullt utöver dess omedelbara lokala påverkan, som en referens för bästa praxis för de många andra ansiktsskyddsprojekt som växer fram runt om i världen."

Testar skölden på lokala sjukhus

Med ett antal fungerande prototyper byggda, Culpepper och hans team gick över till testfasen efter samråd med, och praktisk feedback från, Edelman, som själv är läkare.

"Den enskilt största osäkerheten hos en vårdgivare är tanken att vi kommer att bli smittade och därigenom inte kunna utföra våra uppgifter eller smitta andra, ", tillägger Edelman.

Edelman visade hur man lagrar, montera, och använda ansiktsskydden till sjuksköterskor och läkare på ett antal lokala sjukhus. Deltagarna ombads sedan att använda dem i verkliga situationer och ge feedback med hjälp av en ensidig enkät.

Feedbacken var överväldigande positiv – deltagarna fann att förutom att vara lätta att montera och använda, de MIT-designade sköldarna gav ett bra skydd mot att komma i kontakt med viruspartiklar genom stänk eller aerosoliserade partiklar.

Beväpnad med denna feedback, Culpeppers team gjorde några mindre justeringar av designen för att maximera täckningen runt användarnas sidor och hals. Med designen färdig, projektet har denna vecka gått över till höghastighets masstillverkning.

Höghastighets masstillverkning

Från och med denna vecka, tillverkningsföretaget Polymershapes kommer att starta massproduktionen av ansiktsskydden. Skärmaskinerna som används vid masstillverkning kommer att producera de platta ansiktsskydden med en hastighet av 50, 000 sköldar per dag på några veckor. Tillverkaren kommer att fortsätta att öka och öka tillverkningstakten ytterligare med möjligheten att tillverka i mer än åttio anläggningar i hela landet.

"Denna process har utformats på ett sådant sätt att det finns potential att öka till miljontals ansiktsskydd som produceras per dag, " förklarar Culpepper. "Detta kan mycket snabbt bli en rikstäckande lösning för brist på ansiktsskydd."

MIT planerar att köpa de första 40, 000 ansiktsskydd att donera till lokala sjukhus i Boston-området denna vecka och Polymershapes kommer att donera 60, 000.

"Att ha ett adekvat och kanske till och med oändligt utbud av personlig skyddsutrustning är helt avgörande för att säkerställa säkerheten för hela befolkningen, särskilt de som tar hand om Covid-19 patienter, ", tillägger Edelman.

Under hela processen, Culpeppers team fick hjälp från ett antal kollegor och avdelningar över hela MIT. Detta inkluderar MIT:s kontor för vicepresident för forskning, Professor Elazer Edelman, Tolga Durak, verkställande direktör, MIT miljö, Hälso- och säkerhetskontoret, Centrum för bitar och atomer, MIT Procurement Operations, MIT:s chefsjurists kontor, MIT:s institution för maskinteknik, och kollegor från MIT Lincoln Laboratory som hjälpte till med källmaterial för att bygga ansiktsskydden och stödde designiterationer. De fick också råd från MIT-kollegor som arbetar med Massachusetts Technology Collaborative, som hjälper till att organisera tillverkare för att svara på covid-19 behov.

"Detta projekt var ett bra exempel på samarbete över MIT och användning av sinne-hjärta-hand. När vi nådde ut till andra, de tappade allt för att sätta sina sinnen och händer i arbete för att hjälpa oss att få detta att hända snabbt, " säger Culpepper. "Det är också ett bra exempel för andra att se till att säkert och snabbt förnya PPE för COVID 19."