Ett internationellt team av partikelfysiker har pausat sitt sökande efter mörk materia för att fokusera på behoven hos offren för den globala pandemin – i synnerhet, deras behov av att andas.

I svåra fall, COVID-19 kan leda till lunginflammation som kräver mekanisk ventilation, men världens utbud av ventilatorer har visat sig vara för litet för den exponentiellt ökande efterfrågan.

"Det offentliga hälsovårdssystemet i Lombardiet är kanske det starkaste i Europa, men det var nära punkten att knäcka, sa Cristian Galbiati, en professor i fysik vid Princeton University som har lett konstruktionen av en förenklad mekanisk ventilator som kan massproduceras med hjälp av lättillgängliga komponenter.

Han och hans medarbetare – mer än 250 fysiker, ingenjörer, läkare och andra från 12 länder runt om i världen – kallar sin enhet för Mechanical Ventilator Milano (MVM). Dess drift kräver endast elektricitet och en källa till komprimerat syre (eller en blandning av syre och medicinsk luft), och kontroll- och övervakningsenheten i dess hjärta utvecklas och programmeras av "de bästa utvecklarna" från nationella partikelfysiska laboratorier i USA, Kanada, Italien och många andra nationer, sa Galbiati.

Även om det kan låta konstigt för en forskare av mörk materia att ha börjat med medicinsk tillverkning, det är mer vettigt om man uttryckt det på ett annat sätt:en expert på att konstruera känsliga instrument för komprimerad argon bestämde sig för att experimentera med komprimerat syre och kväve.

Galbiati och hans kollegor i DarkSide-20k-projektet har ägnat 15 år åt att designa och förfina utrustning som använder en högt trycksatt flytande form av ädelgasen för att upptäcka en mörk materia partikel. De svängde från astrofysik till medicin bara under de senaste veckorna.

Efter forskningsresor till Italien fastnade Galbiati i landet, han sms:ade en vän vars familj äger ett stort gasdistributionsföretag för att gratulera familjen till deras donation till en snabbt uppbyggd avdelning för covid-19-patienter i Milano. Han blev chockad när han fick veta att familjens beställning av ventilatorer till stöd för avdelningen avbröts. Galbiati talade sedan med sin bror Filippo, en akutläkare på Niguarda-sjukhuset i Milano, vars praktik då hade begränsats till endast covid-19-patienter. Den andre Dr. Galbiati förklarade för fysikprofessorn den allt svårare situation som italienska läkare står inför som behövde behandla syresvältade patienter med begränsade ventilatorer vid toppen av den lokala epidemin.

"Vi gör så många komplexa projekt med tekniska gaser, " sa professor Galbiati. Han ville använda sin expertis "för att hitta det bästa sättet - ett sätt som är mer skalbart - att tillföra syre i människors lungor när de behöver det."

Galbiati nådde ut till samma vän, vars företag också kommersialiserar och reparerar ventilatorer, och fick tillstånd från den italienska regeringen att utföra tester på sin väns anläggning. När de väl hade en design, han säkrade regeringens tillstånd att bygga och testa en prototyp. Sedan nådde han ut till DarkSide-20k-teamet.

"Partikelfysiker är ett märkligt gäng människor, sa Fernando Ferroni, ordförande för det italienska nationella institutet för kärnfysik och en ledande samarbetspartner på MVM, samt kommunikationsdirektör för projektet. "Vi har en speciell affinitet för intellektuella problem. Vi har ett problem? Vi måste lösa det." Dessutom, han lade till, en fördel med ett globalt samarbete är att någon alltid är vaken, att driva projektet framåt 24 timmar om dygnet.

Teamet sökte input från italienska anestesiologer. "De tillbringade de senaste fyra veckorna i frontlinjen, ta hand om patienter, blir bara förstörd av detta, ", sa Galbiati. "De ger en otrolig erfarenhet. De vet exakt vad som behöver göras för att rädda patienterna – och för att hjälpa dem att återhämta sig."

En funktion som läkarna föreslog är åtkomst med en knapp till procedurer för mätning av parametrar som har visat sig vara avgörande för att sätta den bästa återhämtningsvägen för COVID-19-patienter. "I de flesta traditionella maskiner, utformad för mer allmän användning, dessa procedurer kräver att du trycker på fem eller sex eller sju knappar, eller växla mellan olika driftlägen, sa Galbiati.

"Som rekommenderat av Dr [Giuseppe] Foti och Dr [Giacomo] Bellani från San Gerardo Hospital i Monza, vi arbetar med att implementera avancerade funktioner som enknappsmätning av platåtrycket, trycket som nås inuti alveolerna i slutet av inandningscykeln, och av 'AutoPEEP, kallas normalt luftinfångningen i utandningsfasen, som kan vara noll för de flesta friska patienter eller väsentligt annorlunda från noll för patienter som har hinder i utandningskanalen, som möjligen genereras av sekret, " han sa.

MVM-teamet har delat sin design via vetenskapsarkiven med öppen källkod arXiv (uttalas "arkiv") och medRχiv ("med-arkiv"), både för att sprida den konceptuella designen brett och för att snabba på feedback från det vetenskapliga och medicinska samfundet. Vid denna tidpunkt, de har avancerat från designfasen, genom prototypfasen, och till förberedelser för masstillverkning. Material för de första 1, 000 MVM:er borde anlända om en vecka. De arbetar nära med det amerikanska flygvapnet, amerikanska Food and Drug Administration, Hälsa Kanada, och italienska tillsynsmyndigheter för att säkerställa godkännanden.

"Att skapa något som är konstruerat av lätt tillgängliga delar, det är enkelt men kapabelt att göra allt som behövs i vägen för en ventilator – det var Cristians ursprungliga vision, och jag tycker att det går väldigt bra, sa Arthur McDonald, en nyckelmedlem i MVM-teamet och en mottagare av 2015 års Nobelpris i fysik. Han är en fysikprofessor emeritus vid Queen's University i Kanada som var på Princeton-fakulteten från 1982 till 1989.

De första ventilatorerna kommer att gå direkt till italienska sjukhus, följt strax av de i USA och Kanada, sa McDonald, men teamet hoppas också kunna säkra finansiering för att bygga och distribuera MVM i länder som inte har råd att bygga sina egna, sa McDonald. "Vi är alla mycket medvetna om det faktum att på längre sikt, de mindre utvecklade delarna av världen kommer att drabbas hårt av denna epidemi, och det kommer att finnas ett stort behov runt om i världen."