Een internationaal team van onderzoekers dringt er bij natuurkundigen en ingenieurs op aan zich aan te sluiten bij de strijd tegen de nieuwe pandemie van het coronavirus (COVID-19), en bijdragen aan de ontwikkeling op lange termijn van kennis en technologieën voor infectieuze aandoeningen van de luchtwegen in het algemeen.

Onder leiding van Jiaxing Huang van de Northwestern University, het team heeft een perspectiefartikel geschreven dat gisteren (8 april) in het tijdschrift is gepubliceerd ACS Nano .

"Volksgezondheid en gezondheidswerkers staan ​​in de frontlinie om de verspreiding van deze ziekte in te dammen en te verminderen, ", schrijven de onderzoekers. "Hoewel tussenkomende biologische en immunologische reacties tegen virale infectie verre van natuurwetenschappen en techniek lijken die typisch werken met levenloze objecten, er is eigenlijk veel dat kan - en moet - worden gedaan om te helpen in een wereldwijde crisis als deze."

Angst leidde tot actie

Huangs vroege bezorgdheid over de eerste uitbraak van het coronavirus inspireerde hem om de oproep tot actie te leiden. Zich verward en machteloos voelen, hij loste het op door studieboeken en medische literatuur over ademhalingsvirussen te bestuderen.

"Deze oefening leverde veel vragen en ideeën op, en ik realiseerde me dat er veel gedaan kan worden door natuurwetenschappers en ingenieurs om te helpen, " zei Huang, een professor in materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Ten slotte, voordat virussen worden opgepikt door een persoon, de overdracht en verspreiding vinden plaats in de fysieke ruimte en in de materiële wereld."

Huang's vroege poging motiveerde Haiyue Huang, een afgestudeerde student in zijn laboratorium in Northwestern, om samen met hem intensief te lezen, analyseren en brainstormen.

"Intellectueel, het was een zeer stimulerende periode, "zei ze. "Ik was verbaasd over hoe onze fysieke intuïties - en soms wilde gissingen - kunnen aansluiten bij observaties in de medische literatuur."

Oplossing ontvangt NSF RAPID-beurs

De twee schreven eerst de oproep tot actie voor natuurwetenschappers en ingenieurs, en een deel ervan opgenomen in een witboek aan de National Science Foundation (NSF).

"De NSF is perfect gepositioneerd om fysische wetenschappers en ingenieurs bijeen te brengen om de uitdagingen aan te gaan die gepaard gaan met een crisis zoals COVID-19, " zei Huang, "Ik kreeg warme aanmoedigingen van de afdeling materiaalonderzoek, en toevallig, NSF deed daarna snel een oproep tot het indienen van voorstellen via hun RAPID-mechanisme.

Huang's laboratorium ontving een RAPID-subsidie, en Haiyue Huang werd een van de aangewezen "essentiële" onderzoekers die de klok rond werkten om een ​​chemische modulatiemethode op het masker te onderzoeken die de besmettelijkheid van met virus beladen ademhalingsdruppels kan verminderen.

Verbindingen over de hele wereld opbouwen

Om hun hypothesen en ideeën te valideren, Huang overlegde met een team van biomedische onderzoekers en eerstelijns clinici in China om de problemen te begrijpen die ze tegenkwamen in hun strijd tegen COVID-19, en om strategieën verder te polijsten. Dr. Xin Zheng, een Noordwest-alumna, en momenteel een professor en arts in Wuhan, China, beantwoordde snel de oproep van Huang. In de begindagen van COVID-19, ze had gepuzzeld over de onverwachte kenmerken en het gedrag van het virus.

"We stonden in die dagen onder extreem hoge druk, maar we kozen ervoor om dit virus te bestrijden, "Zheng zei. "Als artsen, iedereen hier is een soldaat in deze strijd."

Zheng is de directeur van de afdeling Infectieziekten van het Union Hospital in Wuhan, die is aangesloten bij Huazhong University of Science and Technology. Ze zei dat natuurwetenschappers en ingenieurs zich kunnen concentreren op drie belangrijke elementen:het blokkeren van de bron van virussen, de verspreidingsketen doorbreken en de meest kwetsbare bevolkingsgroepen beschermen.

"We dragen allemaal dagelijks persoonlijke beschermingsmiddelen, " voegde ze eraan toe. "We weten dat er veel ruimte is voor verbetering door fysische wetenschappers en ingenieurs."

Mogelijkheden

In het perspectiefartikel de onderzoekers schetsen gebieden waar wetenschappers en ingenieurs kunnen helpen:

• Voeg nieuwe barrières toe langs de infectieroutes op basis van natuurwetenschappen en techniek;
• "Vervuil" de uitgeademde ademhalingsdruppels met antivirale verbindingen, het verminderen van de levensvatbaarheid van het virus bij de bron;
• Ontwikkel op prikkels reagerende oppervlakken om de inactivatie van virussen op deurknoppen te versnellen, aanraakschermen, werkbladen, en andere gebieden in ziekenhuizen en huizen;
• Maak persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) effectiever, inclusief brillen die niet beslaan en maskers en pakken die geen allergische reacties veroorzaken of de vermoeidheid van eerstelijns clinici versnellen, die al onder enorme stress staan;
• Vind slimme PBM's uit met verbeterde bescherming, communicatie- en monitoringfuncties voor clinici die in de meest gevaarlijke situaties werken;
• Afbreekbare materialen en duurzamere benaderingen ontwikkelen om plastic PBM-afval veilig te verwerken;
• Denk vooruit over hoge doorvoer, herconfigureerbare en flexibele productie die de explosieve toename van de vraag naar kritieke medische benodigdheden aankan;
• Ontwikkel gedistribueerde testsystemen met snelle sample-in-result-out doorlooptijd, en snelle automatische gegevensverzameling om gezondheidswerkers en beleidsmakers beter toe te rusten om snellere en nauwkeurigere beslissingen te nemen;
• Nieuwe modelsystemen ontwikkelen om beter te begrijpen hoe virussen zich verspreiden, verspreiden en fysiochemisch interageren met hun omgeving.

De auteurs benadrukken dat onderzoekers ook als ze weinig of geen ervaring hebben met infectieziekten toch een bijdrage kunnen leveren. Dit bericht resoneerde met Hua-Li Nie, een andere noordwestelijke alumna uit de groep van Huang, en momenteel universitair hoofddocent aan de Donghua University in Shanghai.

"Toen ik werd benaderd door professor Huang, wie is mijn voormalige adviseur, Ik zat toen thuis vast.' zei Nie. 'Mijn vakgebied is niet direct gerelateerd aan infectieziekten. Maar ik was geïntrigeerd door de suggestie van professor Huang, en begon de onderwerpen te bestuderen. Al snel realiseerde ik me dat er dingen waren die ik kon doen om te helpen, te. Eventueel, we waren in staat om via vrienden van mijn vrienden contact te maken met een paar eerstelijns clinici en op afstand zinvolle discussies te voeren."

Proactieve voorbereiding

In het noordwesten, Huang heeft de afgelopen Winter Quarter al studenten in zijn Conducting Polymers-klas aangemoedigd om na te denken over manieren om een ​​bijdrage te leveren.

"Ik wil dat technische studenten proactief zijn en nadenken over wat ze kunnen doen om de samenleving te helpen, " zei Huang, "Haiyue was toevallig mijn onderwijsassistent in die cursus, dus begeleidde ze twee studenten om een ​​concept te demonstreren voor het ontsmetten van gezichtsmaskers door middel van elektrische verwarming door een geleidende polymeercoating.

"Crisis zoals de COVID-19-pandemie overstijgt alle soorten grenzen, " zei Huang, "Ik hoop dat mensen de grenzen verleggen en samenwerken om oplossingen te creëren."