COVID-19: Motori lineari come polmoni artificiali per il test delle maschere

I ricercatori di Biofluid testano l’efficacia protettiva delle maschere: Le mascherine mediche per il naso e la bocca possono contribuire a ridurre la diffusione del virus COVID-19. Semplici misure aggiuntive ne aumentano significativamente l’efficacia protettiva. Questo è stato confermato da indagini sistematiche e riproducibili condotte dall’OTH di Regensburg con un simulatore polmonare che utilizza Linearmotoren von LinMot. I motori hanno aiutato i ricercatori a impostare e iniziare i test in pochi giorni.

Video di un respiro. Prima senza maschera, poi con la maschera (Video: OTH Regensburg)

Rivelato alla luce: nel laboratorio del Prof. Dr.-Ing. Lars Krenkel, il laser a ventaglio rende chiaramente visibile il fumo che fuoriesce sotto i bordi di una maschera medica naso-bocca. È costituito da particelle che vanno da 200 nm a 2 μm ed è quindi adatto a modellare gli aerosol espirati dalle persone. Il manichino mostra la maggior parte del fumo che fuoriesce dalle aree sopra le guance e adiacenti alle pieghe nasolabiali. Questo fa capire che il personale medico, come i paramedici o gli anestesisti, che trascorre molto tempo sopra o in prossimità della testa di un paziente malato, è esposto al rischio di infezioni anche se il paziente indossa questo tipo di maschera. “Le maschere non sono fondamentalmente in grado di fornire una protezione al 100%, se non altro perché possono essere utilizzate in modo non corretto. Tuttavia, sarebbe sbagliato dire che non offrono alcuna protezione”, afferma il Prof. Krekel, responsabile dell’insegnamento e della ricerca nel campo della Meccanica dei Biofluidi presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’OTH di Regensburg. “Semplici misure di ottimizzazione per le maschere medico-nasali possono fornire una ritenzione fino all’85% per quanto riguarda gli aerosol e circa il 95% per le goccioline, aumentando sostanzialmente la loro efficacia protettiva”.

Gli aerosol contaminati sono potenzialmente più pericolosi
Quando indagano sul percorso dell’infezione, gli epidemiologi osservano attentamente gli aerosol, che sono respirabili e possono rimanere a lungo nell’aria a causa della convezione. Gli aerosol comprendono particelle di dimensioni comprese tra 100 nm e 5 μm. Penetrano nei bronchi e, se trasportano un virus, possono causare infezioni polmonari. Le particelle di dimensioni comprese tra 5 e 10 μm, invece, non penetrano oltre la glottide. Le goccioline più grandi, fino a circa 100 μm, vengono catturate nel naso o nella gola, quindi in genere causano solo malattie lievi. Sono soggette alle leggi della balistica e non possono rimanere nell’aria per lunghe distanze (solo circa 1,5 m). Il rischio posto dalle goccioline contaminate è quindi stimato complessivamente basso e più facile da gestire. Le particelle di dimensioni superiori a 100 μm non possono essere inalate in circostanze normali. Per coprire tutte le vie di trasmissione delle particelle, il team del Prof. Krenkel sta studiando i meccanismi di propagazione di aerosol e goccioline nelle condizioni più realistiche possibili. “La nostra ricerca, in collaborazione con le cliniche universitarie di Amburgo Eppendorf e Regensburg, si concentra sullo studio della funzione protettiva delle maschere in varie condizioni limite e sull’identificazione e la quantificazione delle misure di ottimizzazione.”

I motori lineari aiutano i ricercatori
Da quando il laboratorio per i test di flusso biomedici e biologici è stato inaugurato nel 2014, il team del Prof. Krekel ha acquisito una vasta esperienza nell’allestimento di dispositivi di prova per test sperimentali e numerici di flusso in sistemi biologici, medici e tecnici. I ricercatori hanno emulato e analizzato i processi nel flusso sanguigno umano e nelle vie respiratorie. Per studiare i processi delle vie aeree, i ricercatori avevano bisogno di un “polmone passivo” che potesse simulare il comportamento della pressione e del volume dell’organo respiratorio umano. A causa della cedevolezza del tessuto polmonare, la curva pressione-volume non è lineare, ma piuttosto a forma di S (sigmoide), ed è diversa per l’inspirazione e l’espirazione. Ciò significa che un serbatoio d’aria o un apparecchio simile non funzionerebbe. La stessa situazione si applica alla simulazione del cuore. Anche in questo caso, i sistemi semplici incontrano presto i loro limiti. Le pompe eccentriche azionate da motori passo-passo, ad esempio, possono simulare solo le dipendenze lineari e offrono ai ricercatori poca flessibilità. “Avevamo bisogno di qualcosa che potesse essere controllato in modo rapido ma preciso”, afferma il Prof. Krekel, riassumendo i requisiti della soluzione desiderata.

Ricercatori dell’OTH di Regensburg utilizzano un trainer di rianimazione per studiare l’efficacia protettiva delle maschere naso-bocca nella lotta contro la diffusione del virus COVID-19. (Foto: Rossmann)

Sistema universale motore-pompa
I ricercatori hanno scelto due motori lineari LinMot, modello PS01-48x240F-C, con classe di protezione IP67, per muovere i pistoni di un sistema di pompe lineari cilindriche. Un sistema di valvole provvede alla regolazione della pressione e all’introduzione dei fluidi (aria, sangue sostitutivo) in ciascun cilindro. I motori lineari sono forniti da LinMot Servo Drives e monitorati e coordinati da un’unità di controllo industriale spesso utilizzata nei macchinari. I ricercatori beneficiano della flessibilità offerta dai motori lineari. Il sistema di prova può simulare in modo realistico e riproducibile il comportamento pressione-volume continuamente pulsante di un cuore sano o malato. I ricercatori hanno utilizzato lo stesso sistema per simulare un polmone passivo in grado di riprodurre le conseguenze dei cambiamenti dovuti alla malattia. Questo include la distribuzione dell’aria tra i lobi dei polmoni.

Risultati iniziali più rapidi
La flessibilità del sistema ha recentemente aiutato i ricercatori quando la pandemia acuta COVID-19 ha spinto a cercare risposte rapide alla domanda urgente su quanto le maschere nasali mediche possano proteggere il personale medico. All’inizio di marzo 2020, gli ospedali hanno sottoposto la questione al team di ricerca del Prof. Krenkel, che ha sviluppato un’adeguata configurazione di test in pochi giorni. Anche in questo caso i motori lineari hanno svolto un ruolo importante. Sono il cuore di un sistema respiratorio artificiale e producono un flusso d’aria variabile. Grazie ai parametri programmabili per “accelerazione”, “velocità di spostamento” e “corsa”, i ricercatori hanno potuto facilmente implementare vari scenari di respirazione, come la respirazione normale, la tosse e l’ipossia. Per creare vari profili di movimento hanno utilizzato lo strumento di progettazione e configurazione LinMot Talk. Dall’interfaccia utente del controllore industriale, i ricercatori possono salvare questi profili e richiamarli direttamente dal programma di controllo, in qualsiasi ordine e, se necessario, anche mentre il programma è in esecuzione. Nella creazione dei profili, i ricercatori sono stati aiutati dal fatto che la relazione corsa-volume è proporzionale per la combinazione di un motore lineare e una pompa lineare, per cui le curve che si trovano spesso in letteratura e che mostrano il volume nel tempo sono state facili da implementare.

Automazione dei test con componenti industriali
“Abbiamo trovato vantaggiosa anche la possibilità di combinare i motori LinMot con sistemi molto universali e altamente avanzati, come i controllori Beckhoff o B&R. Queste aziende offrono anche un’ampia gamma di moduli di I/O e di interfaccia”, spiega il Prof. Krenkel. “Possiamo automatizzare completamente l’intera prova, sincronizzare i sistemi e garantire così un’elevata riproducibilità”. Ad esempio, il generatore di aerosol e la valvola che controlla l’alimentazione della pompa lineare sono collegati a un terminale di uscita a 24 V, in modo che le particelle possano essere aspirate dal pistone della pompa esattamente al momento giusto.

Sintesi
“A metà maggio 2020, i dati mostrano che le maschere mediche possono trattenere dal 65 al 75% degli aerosol a livello primario, a seconda del loro design. A livello ausiliario, l’efficacia del filtro dipende in larga misura dall’adattamento della maschera e dalla costituzione fisica di chi la indossa”, afferma il Prof. Krenkel, riassumendo i risultati di una serie di test eseguiti nell’arco di sei settimane. “Utilizzando semplici accorgimenti, come il fissaggio della maschera con un nastro adesivo ai lati, è possibile trattenere l’85% degli aerosol e impedire completamente la fuoriuscita di aria non filtrata ai lati”. Il fatto che i risultati iniziali e riproducibili dei test siano stati messi a disposizione dei ricercatori in pochi giorni è dovuto in parte all’uso del sistema di motori lineari altamente flessibile di LinMot, che può essere utilizzato in molte aree della meccanica dei biofluidi, riducendo il tempo e gli sforzi necessari per impostare scenari di test complessi. Il Prof. Krenkel intende quindi utilizzare sempre più spesso il sistema di motori lineari in ulteriori progetti di ricerca.

Per saperne di più sui motori lineari di LinMot