工程突破可以减轻牙科诊所的Covid-19污染

美国牙科协会(American Dental Association)和疾病控制与预防中心(Centers for Disease Control and Prevention)警告称，除紧急情况外，所有诊所都要关闭，自3月份以来，牙科诊所已经关闭。最近，他们提出了一个重新开放设施的框架，要求各办公室携带额外的个人防护装备，如口罩、盾牌、护眼用具、防护服和手套，并经常更换。该指南要求彻底清洁患者之间的工作空间，并暂停使用空气过滤系统，以清除可能具有传染性的颗粒。

UIC牙科学院正在遵循指南保护患者、教职员工和学生免受COVID-19感染。然而，这些措施并不能保证完全防止吸入由牙医使用的一些基本工具产生的气溶胶。

为了减轻气溶胶的影响，牙科学院的领导们联系了UIC工程学院的专家来帮助他们解决这个问题。

这是牙科学院特有的风险

“多年来，我们一直对感染控制保持警惕，COVID大流行聚焦在这个问题上，”密歇根大学著名教授、牙科学院院长克拉克·斯坦福(Clark Stanford)说。“世界上有数十亿病毒，我们已经很幸运了。COVID - 19是一个警钟，未来可能还会发生其他事情。”

高度传染性和空中病毒的威胁对学校构成了独特的威胁。与三椅牙科办公室不同，牙科学院更大。多个大型开放式床诊所占350椅子，近1000人在建筑物中工作。这是一个营造出独特而复杂的问题的医院氛围。

UIC牙科学院负责研究的副院长兼口腔生物学主任林登·库珀说:“这是一个真正的挑战，原因有很多。”“其中之一是，许多患者没有症状或没有症状，人们走进牙科诊所不一定会对我们构成风险。所以，我们的警戒解除了。其次，气溶胶是看不见的。它们存在于说话，喊叫，打喷嚏，所有这些都能传播病毒。在开放的牙科环境中，比如牙科学校或有多个椅子的牙科诊所，你面临着一种无形的威胁，必须加以控制。这真的是一个未知的领域。”

牙科官员与设施经理和顾问合作，他们审查了暖通空调系统和空气质量，以增加空气交换，提供100%的外部空气，这将减少再循环。他们还增加了全建筑范围的HEPA过滤和双极电离技术，以提供额外的保护层。

他们还采取措施处理人类行为，以确保空气质量是安全的。这将通过限制人的数量，减少人与人之间的密度和距离来实现。

他们想要弄清楚的第三个措施是如何减少产生的悬浮微粒的数量以及它们能传播多远。虽然有工具来移动气溶胶远离患者和牙医，减少气溶胶的想法是一种新的方法。为了回答这个问题，牙科领导人转向了UIC工程学院。

“这项研究的迷人之处在于工程学院和牙科学院之间的合作。订婚的人可以看看一些缓解气候变化的努力我们正在考虑和评估,实时与他们的设备和专业知识,这样我们不假设是可靠的,”苏珊说罗文,临床事务执行副院长和副院长在UIC牙科学院。“作为一所大学，我们是受数据驱动的，希望确保我们所做的是为了我们的病人、我们的工作人员、教师和学生的最佳利益。”

工程解决方案

UIC的工程团队由来自机械与工业工程(MIE)和电子与计算机工程(ECE)的教职员工和学生组成，他们正在研究牙科器械上的气溶胶是如何消散的。

MIE的UIC杰出教授和博士后研究员桑纳尔罗伊的康斯坦丁梅里达斯正在寻找由牙科仪器产生的粗液滴，包括如何超声波，振动工具从其尖端中称为Cavitron棚液滴。

Megaridis说:“这些设备在牙科工作中无处不在，如果它们携带了被感染患者唾液中的病毒，就会产生大量的小水滴，对牙医和患者构成威胁。”“当该设备产生的喷雾剂击中牙齿或口腔中的其他组织，携带唾液，并随着呼吸从口腔中释放出来时，COVID-19有可能在牙科诊所和诊所传播。我的实验室正在使用高速成像和光学工具来观察空穴尖端水滴的大小和在空间中的浓度。”

Mie副教授Parisa Mirbod和她的团队，包括博士。学生Eileen Haffner和Maryam Bagheri，使用粒子图像速度和粒子跟踪速度，用于跟踪，测量和检查单个液滴速度和距离。它们还使用影像仿文技术来定义液滴分布，专注于粗糙和细小的液滴。

“牙科手术会产生空气微粒，这些微粒会将包括SARS-CoV-2在内的病毒传播到空气中。我们用最先进的实验技术研究了由空穴产生的液滴，以了解它们移动的距离和速度。这些数据可以用于CFD分析，进一步分析病毒滴度，进入临床。”Mirbod说。

ECE副教授Igor papprotny和他的博士生Anuj Singhal通过观察细微和超细颗粒对这项研究做出了贡献。

“我们正在寻找的是气溶胶 - 液滴和颗粒 - 直径少于10微米，重点关注两个半千微米和更小的气溶胶。最近，我们一直在看纳米级的粒子大小，所以叫超细气溶胶，一般尺寸低于一微米，“帕米多特说

他指出，大于10微米的气溶胶不会很快沉降。小于10微米的气溶胶，以及2.5微米或更小的气溶胶会随着气流在空气中悬浮很长时间。随着越来越多的证据表明COVID-19是一种空气传播疾病，这些微小的气溶胶有可能将病毒传播给其他患者和在牙科诊所工作的人。

帕普罗特尼说:“我们正在使用一些气溶胶测量仪器来记录空气中气溶胶的浓度，并可以绘制出这些来自不同来源的水滴的流状图。”“这让我们能够建立一个图片，了解在牙科治疗过程中漂浮的气溶胶的大小，进而确定整个牙科诊所中这些气溶胶的浓度。”

MIE部门负责人Farzad Mashayek领导着工程团队和计算流体动力学(CFD)团队，其中包括讲师Jonathan Komperda和博士生Dongru Li、Ahmad Peyvan和Babak Kashir。

“我们过去计算机模拟测定门诊不同部位的风速、温度、湿度。有了这些信息，我们应用计算机模拟来跟踪液滴和气溶胶，以预测诊所中的病毒载量，”Mashayek说，他正在处理从工程团队其他成员收集的数据。

这项工作与UIC的大型牙科诊所有关，该诊所同时用于多名患者。房间的大小以及家具和设备的细节构成了一个挑战，所以必须在短时间内用可用的计算资源仔细规划和执行模拟。

马沙耶克说:“我们小组在很短的时间内组装了三台新电脑，供这个项目单独使用。”“我们的工作将模拟产生的工程数据和公布的病毒负荷数据联系起来，以便为房间创建一个热图，从而使牙医能够评估诊所内不同位置的风险。”

虽然这项研究的重点是UIC的牙科诊所，Mashayek说，该方法可以用于创建热图，以降低校园和其他封闭空间的风险。

聚合物溶液是答案吗?

虽然研究人员继续对水滴的形成及其传播方式有了更好的了解，但他们仍然有一个大问题需要回答:他们是如何减轻气溶胶的?

“我提出并证明的是，使用稀释的聚合物水溶液可以完全抑制喷雾的形成，”UIC MIE的杰出教授Alexander Yarin说。“从本质上讲，我可以使用非处方材料，在这个过程中不形成任何液滴。”

研究人员确定了几种可审议的FDA批准的聚合物溶液，可以代替Cavitron和牙科钻的水。他们发现，当流体从超声波壳缩放器分配时，根本不形成喷雾液滴，完全抑制弹性力。纺纱钻头发生同样的情况，其中代替液滴，形成长丝，这不再危险，因为它们不会从钻头飞走。

Yarin说，他们研究的粘弹性溶液与唾液具有相似的特征，尽管具有更高的弹性应力。为了证明这一点，他把唾液放在手指之间，慢慢地把它们拉开，形成一根线，显示出弹性的力量，而后者则保持完整。

在聚合物溶液中，丝和丝不会断裂，液滴不会脱落，这在实验室实验和牙科诊所中得到了证明。亚林和他的博士生们分别在低速和高速的牙钻和所有的空腔粒子功率下测试了这些溶液，它们提供了相同的抑制液滴形成的能力。

亚林说:“这似乎是缓解这类问题的一种全新方法。”“这种方法成本不高，也不需要更换任何设备，而且，经过正式批准，牙科学院现在就可以开始使用。”

博士生Yasmin Dias、Jevon Plog和Jingwei Wu在Yarin的指导下开展了这项研究。雅林说:“这三名学生非常有帮助，他们在学校关门的时候英勇地来到了UIC，我们在那里独自工作了很长一段时间。”

UIC现在正在向这项新技术提出专利并与公司合作，以获得实施的过程，这将允许牙科学校和诊所重新开放并安全运行。他们的研究将作为标题下的流体期刊物理学的特征文章公布COVID-19后重新开放牙科:用粘弹性Medusa Gorgo完全抑制牙科操作中的气溶胶。

---

---