COVID-19-pandemien motiverer fysiske forskere og ingeniører til at skabe globale løsninger

Et internationalt team af forskere opfordrer fysiske forskere og ingeniører til at deltage i kampen mod den nye coronavirus (COVID-19) pandemi, og bidrage til langsigtet skabelse af viden og teknologier til smitsomme luftvejssygdomme generelt.

Ledet af Northwestern Universitys Jiaxing Huang, holdet har forfattet en perspektivartikel offentliggjort i går (8. april) i tidsskriftet ACS Nano .

"Offentlige sundheds- og sundhedsarbejdere er i frontlinjen for at begrænse og afbøde spredningen af ​​denne sygdom, " skriver forskerne. "Selvom indgribende biologiske og immunologiske reaktioner mod virusinfektion kan virke langt fra fysiske videnskaber og teknik, der typisk arbejder med livløse genstande, der er faktisk meget, der kan – og bør – gøres for at hjælpe i en global krise som denne."

Angst udløste handling

Huangs tidlige angst for det første coronavirus-udbrud inspirerede ham til at lede opfordringen til handling. Føler mig forvirret og magtesløs, han klarede sig ved at studere lærebøger og medicinsk litteratur om luftvejsvirus.

"Denne øvelse genererede en masse spørgsmål og ideer, og jeg indså, at meget kunne gøres af fysiske forskere og ingeniører for at hjælpe, " sagde Huang, en professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering. "Trods alt, før vira opfanges af en person, transmissionen og spredningen sker i det fysiske rum og i den materielle verden."

Huangs tidlige indsats motiverede Haiyue Huang, en kandidatstuderende i sit laboratorium på Northwestern, at slutte sig til ham for at udføre intensiv læsning, analyse og brainstorming.

"Intellektuelt, det var en meget stimulerende periode, " sagde hun. "Jeg var forbløffet over, hvordan vores fysiske intuitioner - og nogle gange vilde gæt - kan forbindes med observationer i medicinsk litteratur."

Løsningen modtager NSF RAPID-bevilling

De to udarbejdede først opfordringen til handling for fysiske forskere og ingeniører, og indarbejdet en del af det i en hvidbog til National Science Foundation (NSF).

"NSF er perfekt positioneret til at samle fysiske forskere og ingeniører til at reagere på udfordringerne forbundet med en krise som COVID-19, " sagde Huang, "Jeg modtog varm opmuntring fra afdelingen for materialeforskning, og tilfældigvis NSF udsendte hurtigt efterfølgende en opfordring til forslag gennem deres RAPID-mekanisme.

Huangs laboratorium modtog en RAPID-bevilling, og Haiyue Huang blev en af ​​de udpegede "essentielle" forskere, der arbejder døgnet rundt for at udforske en kemisk moduleringsmetode på maske, der kan reducere smitsomheden af ​​virusfyldte luftvejsdråber.

Opbygning af forbindelser rundt om i verden

For at validere deres hypoteser og ideer, Huang rådførte sig med et hold af biomedicinske forskere og frontlinjeklinikere i Kina for at forstå de problemer, de stødte på i deres kamp mod COVID-19, og yderligere polering af strategier. Dr. Xin Zheng, en Northwestern alumne, og i øjeblikket professor og læge i Wuhan, Kina, besvarede hurtigt Huangs opkald. I de tidlige dage af COVID-19, hun havde undret sig over virussens uventede træk og adfærd.

"Vi var under ekstremt højt pres de dage, men vi valgte at bekæmpe denne virus, " sagde Zheng. "Som læger, alle her er soldater i denne kamp."

Zheng er direktør for afdelingen for infektionssygdomme på Union Hospital i Wuhan, som er tilknyttet Huazhong University of Science and Technology. Hun sagde, at fysiske videnskabsmænd og ingeniører kan fokusere på tre nøgleelementer:blokering af kilden til vira, bryde spredningskæden og beskytte de mest sårbare befolkningsgrupper.

"Vi bærer alle personlige værnemidler dagligt, " tilføjede hun. "Vi ved, at der er meget plads til forbedring af fysiske forskere og ingeniører."

Mulighedsområder

I perspektivartiklen, forskerne skitserer områder, hvor videnskabsmænd og ingeniører kan hjælpe:

• Indsæt nye barrierer langs infektionsvejene baseret på fysiske videnskaber og teknik;
• "Foruren" de udåndede luftvejsdråber med antivirale forbindelser, reduktion af levedygtigheden af ​​virus ved kilden;
• Konstruer stimuli-responsive overflader for at accelerere inaktiveringen af ​​vira aflejret på dørhåndtag, berøringsskærme, bordplader, og andre områder inden for hospitaler og hjem;
• Gør personlige værnemidler (PPE) mere effektive, inklusive beskyttelsesbriller, der ikke dugger, og masker og dragter, der ikke forårsager allergiske reaktioner eller fremskynder træthed hos klinikere i frontlinjen, som allerede er under enorm stress;
• Opfind smart PPE med forbedret beskyttelse, kommunikations- og overvågningsfunktioner for klinikere, der arbejder i de farligste situationer;
• Udvikle nedbrydelige materialer og mere bæredygtige tilgange til sikker behandling af PPE-plastaffald;
• Tænk fremad om høj gennemstrømning, rekonfigurerbar og fleksibel fremstilling, der kan håndtere den eksplosive stigning i efterspørgslen efter kritiske medicinske forsyninger;
• Udvikle distribuerede testsystemer med hurtig prøve-i-resultat-ud-omsætning, og hurtig automatisk dataindsamling for bedre at ruste offentlige sundhedsarbejdere og politiske beslutningstagere til at træffe hurtigere og mere præcise beslutninger;
• Udvikle nye modelsystemer for bedre at forstå, hvordan vira transmitterer, spredes og interagerer fysisk-kemisk med deres omgivelser.

Forfatterne understreger, at forskere stadig kan bidrage, selvom de har ringe eller ingen erfaring med infektionssygdomme. Denne besked gav genklang hos Hua-Li Nie, en anden Northwestern-alumne fra Huangs gruppe, og i øjeblikket lektor ved Donghua University i Shanghai.

"Da jeg blev kontaktet af professor Huang, hvem er min tidligere rådgiver, Jeg sad fast derhjemme på det tidspunkt." sagde Nie. "Mit felt er ikke direkte relateret til infektionssygdomme. Men jeg var fascineret af professor Huangs forslag, og begyndte at studere emnerne. Snart indså jeg, at der var ting, jeg kunne gøre for at hjælpe, også. Til sidst, vi var i stand til at oprette forbindelse til nogle få frontlinjeklinikere gennem venner af mine venner og føre meningsfulde diskussioner på afstand."

Proaktiv forberedelse

På Northwestern, Huang har allerede opfordret eleverne i sin klasse i Conducting Polymers det sidste vinterkvartal til at tænke over måder at bidrage på.

"Jeg ønsker, at ingeniørstuderende skal være proaktive og tænke på, hvad de kan gøre for at hjælpe samfundet, " sagde Huang, "Haiyue var tilfældigvis min lærerassistent på det kursus, så hun overvågede to studerende for at demonstrere et koncept med desinficerende ansigtsmasker ved elektroopvarmning gennem en ledende polymerbelægning.

"Krise som COVID-19-pandemien overskrider alle typer grænser, " sagde Huang, "Jeg håber at se folk bryde grænserne og arbejde sammen om at skabe løsninger."