Nowoczesne technologie na rzecz walki z koronawirusem: brama do odkażania, przyłbice 3D i maski ochronne. Wynalazki Politechniki Śląskiej

Z tą myślą Politechnika Śląska ogłosiła konkursy projakościowe dla pracowników, doktorantów i studentów.

- Jako uczelnia badawcza, która od 75 lat współtworzy charakter regionu śląsko-zagłębiowskiego, angażując się w rozwój przemysłu, nauki i przede wszystkim nowoczesnych technologii, Politechnika Śląska włącza się w działania na rzecz walki z pandemią m.in. przez współpracę ze służbami medycznymi. W tym celu ogłosiłem na Uczelni konkurs projakościowy na dofinansowanie badań związanych ze zwalczaniem COVID-19 . Mam nadzieję, że to rozwiązanie ułatwi nam kontynuację badań już rozpoczętych, a także umożliwi otwarcie nowych projektów - mówi rektor Politechniki Śląskiej prof. Arkadiusz Mężyk.

W ramach konkursu tworzą się zespoły, które pracują nad rozwiązaniami wspomagającymi zarówno badania w medycynie, np. przez udział w międzynarodowych zespołach pracujących nad uzyskaniem szczepionek i leków, jak i środki oraz sprzęt chroniące lekarzy, pielęgniarki i samych pacjentów przed zakażeniem. - Sytuacja wymaga od nas pełnego społecznego zaangażowania. Politechnika daje swój naukowy potencjał - wiedzę, aparaturę badawczą i ludzi. Zapraszam do współpracy przedstawicieli biznesu, przemysłu i tych, którzy chcieliby wspólnie z nami podjąć walkę z epidemią - dodaje prof. Arkadiusz Mężyk.

Przechytrzyć wirusa - przewidzieć drogi jego ewolucji

Naukowcy z grupy badawczej Tunneling Group, działającej przy Centrum Biotechnologii Politechniki Śląskiej, wykorzystując symulacje dynamiki molekularnej i autorskie oprogramowanie, poznali strukturę głównej proteazy wirusa SARS-CoV-2 (SARS-CoV-2 Mpro) oraz porównali ją z odpowiadającym enzymem wirusa wywołującego SARS (SARS-CoV Mpro). W skład zespołu badawczego oprócz Politechniki Śląskiej wchodzą naukowcy z Uniwersytetu Alberty w Kanadzie oraz Politechniki w Turynie.

- Poprzez połączenie analizy dynamiki białka z analizą ewolucyjną oraz analizą wpływu dalszych mutacji wirusa na stabilność enzymu, chcemy przewidzieć kolejne możliwe drogi jego ewolucji. Już teraz wiemy, że wirus wyizolowany we Włoszech różni się od tego z Wuhan. Mutacje prowadzące do zmian w sekwencji głównej proteazy to także tylko kwestia czasu i chcemy być na tę ewentualność dobrze przygotowani - opowiada dr hab. inż. Artur Góra. Grupa Tunneling Group stworzyła program AQUA-DUCT, który pozwala na prześledzenie dynamiki zachowania białka z uwzględnieniem zmian w dostępnych przestrzeniach wewnątrzcząsteczkowych, co przy konwencjonalnej analizie jest zwykle pomijane.

Dodatkowo, badania zostały rozszerzone o analizę ewolucyjną wirusowych białek Mpro oraz badanie ich stabilności. Pierwsze wyniki badań zespołu dr. A. Góry zostały udostępnione dla wszystkich zainteresowanych już na początku marca.

Aby maski ochronne i filtry były skuteczne

Politechnika Śląska rozpoczęła również współpracę z otoczeniem społeczno-gospodarczym, by przygotować urządzenia testujące skuteczność masek, a także wytworzyć filtry, które mogłyby stanowić wkładki do maseczek bawełnianych, tym samym efektywnie zatrzymując cząsteczki SARS-CoV-2. Do badań pod kierunkiem prof. Marka Łosa z Centrum Biotechnologii Politechniki Śląskiej włączyły się wydziały: Elektryczny, Mechaniczny Technologiczny, Chemiczny oraz Automatyki, Elektroniki i Informatyki, a także naukowcy z innych instytucji. Urządzenie pozwoli na testowanie zarówno za pomocą mikrocząsteczek fluorescencyjnych, jak i inaktywowanych chemicznie wirusów.

Trwają prace nad zaawansowanym urządzeniem, które zamontowane będzie na fantomie do ćwiczenia resuscytacji. Ta wersja pozwoli m.in. na rzeczywistą symulację wdechu, wydechu czy nawet kaszlu. Ponadto we współpracy z Instytutem Metali Nieżelaznych Sieci Łukasiewicz, uczelnia dąży do wytworzenia filtrów z nanowłókien - tak by były stosunkowo tanie (jak maseczka chirurgiczna), ale podobnie skuteczne jak maseczki N95 (dające około 95-procentową ochronę). - Stworzenie takiego filtra pozwoliłoby ukryć go w kieszonkach bawełnianych maseczek szytych przez wolontariuszy. Dzięki temu z prostej maski otrzymamy specjalistyczne zabezpieczenie, a dzięki wymiennym filtrom maseczki będą mogły służyć dłużej - zaznacza profesor Marek Łos.

CIRCA - internetowy serwis wspierania obrazowej diagnostyki COVID-19

Jednym z najskuteczniejszych sposobów na zahamowanie transmisji koronawirusa SARS-CoV-2 jest usprawnienie działań wykrywających jego obecność w organizmie człowieka. Z myślą o tego typu działaniach na Politechnice Śląskiej we współpracy z Polskim Towarzystwem Radiologicznym prowadzone są prace nad systemem sztucznej inteligencji „Circa”, którego zadaniem będzie wspomaganie radiologów w diagnostyce zdjęć RTG płuc.

Wobec przewidywanego silnego wzrostu liczby zachorowań na COVID-19, chcąc wesprzeć i przyśpieszyć diagnostykę obrazową COVID-19, opracowany został internetowy serwis automatycznej analizy obrazów RTG. Wykorzystując wieloletnie doświadczenie w analizie obrazów tomografii komputerowej i rezonansu magnetycznego oraz opracowane wcześniej w Katedrze Inżynierii i Analizy Eksploracyjnej Danych Politechniki Śląskiej we współpracy z naukowcami z Gdańskiego Uniwersytetu Medycznego algorytmy do automatycznej detekcji wewnętrznej struktury i zmian nowotworowych w mózgu i płucu, utworzony został internetowy kalkulator ryzyka, który wspomoże lekarzy w identyfikacji zmian charakterystycznych dla COVID-19 oraz oszacuje je ilościowo i jakościowo z wykorzystaniem szeregu wskaźników. Prace prowadzone są we współpracy z Polskim Lekarskim Towarzystwem Radiologicznym.

Zespół badawczy w składzie: prof. dr hab. inż. Joanna Polańska, dr inż. Franciszek Binczyk, dr inż. Paweł Foszner, mgr inż. Wojciech Prażuch oraz mgr inż. Aleksandra Suwalska, opracował i zaimplementował unikatową hybrydową konwolucyjną sieć neuronową wraz z szeregiem procedur pomocniczych, pozwalającą na automatyczną identyfikację zdjęć RTG płuc obrazowo zmienionych w wyniku rozwoju COVID-19. Opracowany w środowisku Matlab oraz Python silnik obliczeniowy sprzęgnięty został z portalem internetowym, umożliwiając tym samym korzystanie lekarzom z systemu w trybie on-line. Prace zespołu skupiają się teraz nad rozszerzeniem funkcjonalności kalkulatora o analizę zdjęć i sekwencji tomografii komputerowej. Prace są już na ukończeniu.

Druk przyłbic ochronnych dla lekarzy w technologii 3D

Na wszystkich wydziałach Politechniki Śląskiej pracują zespoły, które czuwają nad produkcją przyłbic przy wykorzystaniu drukarek 3D. Jedną z pierwszych jednostek uczelnianych, która nie pozostała obojętna na prośby kierowane przez szpitale o pomoc w pozyskaniu niezbędnego wyposażenia ochronnego, jest Wydział Inżynierii Biomedycznej, kierowany przez prof. Marka Gzika. Równolegle uruchomione zostały procesy wewnętrznej współpracy z Wydziałem Mechanicznym Technologicznym. Przeprowadzono prace nad metodą produkcji przyłbic bez konieczności korzystania z druku 3D, który choć efektywny, pozostaje rozwiązaniem czasochłonnym. W odpowiedzi na ten problem na Wydziale Mechanicznym Technologicznym opracowano projekt, modele i prototyp przyłbicy ochronnej, która będzie wykonywana technologią wtrysku, co pozwoli na znaczne przyspieszenie produkcji i zwiększenie serii produkowanych przyłbic. W tym zakresie podjęto współpracę z jednym z polskich zakładów przemysłowych.

Manufaktura produkcji specjalnych osłon powstała również na Wydziale Inżynierii Materiałowej, a w akcję po kolei włączyły się Wydziały Transportu i Inżynierii Lotniczej; Górnictwa, Inżynierii Bezpieczeństwa i Automatyki Przemysłowej; Elektryczny i Wydział Architektury. Także: Inżynierii Środowiska i Energetyki; Automatyki, Elektroniki i Informatyki; Matematyki Stosowanej; Budownictwa; Chemiczny; Organizacji i Zarządzania oraz Instytuty Fizyki i Badań nad Edukacją i Komunikacją.

Wśród beneficjentów działań Politechniki Śląskiej znalazły się już m.in. Śląskie Centrum Chorób Serca w Zabrzu, Wojewódzki Szpital Specjalistyczny nr 4 w Bytomiu, Zagłębiowskie Centrum Onkologii Szpitala Specjalistycznego im. Sz. Starkiewicza w Dąbrowie Górniczej, Uniwersyteckie Centrum Kliniczne im. prof. K. Gibińskiego Śląskiego Uniwersytetu Medycznego w Katowicach. Nie zapomniano również o obiektach pozamedycznych, np. Centrum Obsługi Studiów BOS w Katowicach, ani placówkach szpitalnych spoza województwa śląskiego (Samodzielny Publiczny Wojewódzki Szpital Zespolony w Szczecinie).

Innowacyjne wersje masek ochronnych i przyłbic

Naukowcy z Politechniki Śląskiej zaprojektowali specjalnie na potrzeby personelu medycznego elementy, dzięki którym udało się połączyć maskę do nurkowania z filtrem hepa, uzyskując tym samym maskę ochronną. Udoskonalili także metodę szybszej produkcji przyłbic.

- Od początku włączyliśmy się, tak jak cała nasza uczelnia, w wykonywanie elementów przyłbicy ochronnej metodą druku 3D. Jednak ze względu na długi czas wydruków postanowiliśmy opracować prostszą metodę, stawiając sobie za cel czas wykonania przyłbicy i minimalizację kosztów przy jednoczesnym zachowaniu funkcjonalności. Opracowaliśmy także projekt, modele i prototyp przyłbicy ochronnej, która będzie wykonywana technologią wtrysku, co pozwoli na znaczne przyspieszenie produkcji - wyjaśnia prof. Anna Timofiejczuk, dziekan Wydziału Mechanicznego Technologicznego Politechniki Śląskiej, gdzie powstał model. - Poza tym, we współpracy z lekarzami opracowaliśmy przejściówkę łączącą maskę do nurkowania z filtrem HEPA. Maski do nurkowania przekazane zostały szpitalowi przez firmę Decathlon. Opracowaliśmy model, wykonaliśmy wydruk prototypu oraz wydrukowaliśmy pierwszą serię przejściówek (60 sztuk). Obecnie jest przygotowywany wydruk kilku tysięcy sztuk przejściówek. W tym zakresie także opracowaliśmy model, który może posłużyć do produkcji przejściówek wykonywanych technologią wtrysku - dodaje prof. Timofiejczuk.

Brama odkażająca dla personelu medycznego

Pracownicy i absolwenci Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki Politechniki Śląskiej oraz firma WAAM pracują nad projektem specjalnej bramy, pozwalającej personelowi ratowniczemu odkazić swoje kombinezony ochronne, aby ryzyko zakażenia się wirusem SARS-CoV-2 przy ich ściąganiu zostało zminimalizowane. Pierwsza tego typu komora stanie na Oddziale Zakaźnym Szpitala Specjalistycznego nr 1 w Bytomiu.

Brama przygotowana przez uczelnianych naukowców zostanie zaopatrzona w specjalne usprawnienia, które pozwolą na bezpieczne i spersonalizowane przeprowadzenie procesu odkażania. - Dzięki specjalnym dyszom będzie można zdezynfekować osobę w pełnym kostiumie. Brama będzie w pełni automatyczna z pakietem regulacji. Personel medyczny może wybierać czas odkażania oraz ma pełną kontrolę nad monitorowaniem procesu dezynfekcji za pomocą świetlnych elementów informacyjnych: będzie otrzymywać informację, co ma robić: czy ma podnieść ręce, obrócić się itp., aby dezynfekcji uległ cały kombinezon - wyjaśnia dr inż. M. Bogacka.

System przesiewowego badania temperatury ciała z wykorzystaniem kamer termowizyjnych

Jednym z najczęstszych objawów zakażenia koronawirusem jest gorączka. Kamery termowizyjne umożliwiają szybki i bezkontaktowy pomiar temperatury skóry głowy. Dzięki temu możliwe jest prowadzenie na szeroką skalę procedur screeningowych w celu zidentyfikowania osób z podejrzeniem gorączki, tak by następnie poddać je przebadaniu klinicznie potwierdzonymi metodami pomiaru. System przesiewowego badania temperatury został już przygotowany dla Szpitala Miejskiego nr 4 oraz Niepublicznego Zakładu Opieki Zdrowotnej VITO-MED Sp. z o.o. W planach jest kolejny projekt. Aparatura badawcza pochodzi z zasobów Pracowni Inżynierii Biomedycznej biomed~lab na Politechnice Śląskiej, której kierownikiem jest dr hab. inż. Ziemowit Ostrowski.

- Zaproponowaliśmy, aby termowizyjny monitoring osób wchodzących był wykonywany przez personel medyczny lub pomocniczy, pracujący w pomieszczeniu odizolowanym od miejsca przebywania osoby badanej. Na monitorze komputera wyświetlane są termogramy, a oprogramowanie kamery automatycznie wykrywa i oznacza obszary o podwyższonej temperaturze. Ułatwi to obsłudze zidentyfikowanie osób, które należy skierować na badanie fizykalne potwierdzające objawy gorączki - mówi dr hab. inż. Z. Ostrowski, prezentując zalecaną ścieżkę postępowania. - W Pracowni Inżynierii Biomedycznej biomed lab od lat zajmujemy się pomiarami wielkości fizjologicznych. W tym zakresie prowadzimy badania i pomiary temperatury skóry, w tym termowizyjne oraz modelowanie wymiany ciepła w żywych organizmach - wyjaśnia. - Staramy się wykorzystać tę wiedzę, którą posiadamy, aby wspomóc i pracować razem dla dobra ludzi wobec potrzeb, które pojawiły się w ostatnim czasie.

Ozonatory i respiratory

Jednym z większych problemów jest obecnie przewóz osób zakażonych wirusem i konieczność szybkiej dezynfekcji pojazdów. Na Wydziale Mechanicznym Technologicznym budowane są prototypy ozonatorów o dużej mocy, które wspomogą w pierwszej kolejności gliwickie pogotowie ratunkowe. Przygotowywany jest projekt adaptacji wnętrza samochodów do celów przewozu chorych. Przedsięwzięcie obejmuje także układ do szybkiej dezynfekcji.

Na Wydziale Inżynierii Środowiska i Energetyki powstaje urządzenie, które ma służyć do mechanicznego wspomagania oddychania pacjentów z problemami oddechowymi. Nie zastąpi ono oczywiście profesjonalnego respiratora, ale w lżejszych przypadkach niewydolności oddechowej można użyć takiego urządzenia w zamian, szczególnie jeśli obserwowany byłby drastyczny wzrost zachorowań na Covid-19. - Idea polega na wykorzystaniu stosunkowo łatwo dostępnych materiałów do budowy niedrogiego urządzenia wentylacyjnego, tj. resuscytatora ręcznego, do którego projektujemy układ napędowy - korbowy zasilany niewielkim silniczkiem elektrycznym. Zadaniem układu korbowego będzie uciskanie mechaniczne resuscytatora. Wykorzystanie resuscytatora jest kluczowe, bo jest on tani, dostępny i sterylny - wyjaśnia dr hab. inż. Grzegorz Nowak z Katedry Maszyn i Urządzeń Energetycznych.

Pomoc dydaktyczna dla uczniów, rodziców i nauczycieli

Realizacja podstawy programowej w warunkach prowadzenia kształcenia na odległość może nastręczać wielu trudności. Związane są one z niedoborami odpowiednich zasobów do prowadzenia zajęć zdalnych na etapie edukacji wczesnoszkolnej i wychowania przedszkolnego.

Studentki Instytutu Badań nad Edukacją i Komunikacją, wychodząc naprzeciw potrzebom i oczekiwaniom nauczycieli i rodziców, stworzyły stronę („Kreatywne korepetycje”), na której prezentują autorskie pomysły na realizację zdalnych lekcji, a także propozycje dla rodziców na poświęcenie tego czasu na naukę przez zabawę. W zasobach znajdują się gotowe karty pracy, gry dydaktyczne, a także filmy instruktażowe.

Zaangażowanie Studenckich Kół Naukowych i organizacji ogólnouczelnianych

W inicjatywy związane z zapobieganiem i zwalczaniem COVID-19 angażują się również studenci Politechniki Śląskiej. W drukowanie i dystrybucję przyłbic włączyli się członkowie kół studenckich SKN Biosoft oraz Silesian Greenpower. Swoje umiejętności manualne (w zakresie szycia) zaoferowała również społeczność Katedry Inżynierii Produkcji Wydziału Inżynierii Materiałowej oraz Akademicki Zespół Tańca PŚ Dąbrowiacy - spod ich rąk wychodzą maseczki ochronne. Badawcza atmosfera towarzyszy z kolei działaniom SKN Biotechnologów PŚ, którzy rozpowszechniają działalność, biorąc udział w badaniach związanych z opracowaniem leków przeciwwirusowych i szczepionek specjalnie przygotowanych na cele zwalczania wirusa SARS-CoV-2. Członkowie koła zapraszają do udziału w rozproszonych obliczeniach dynamiki molekularnej, które długofalowo mogą pomóc w osiągnięciu tego efektu.

Program crowdfundingowy - „Politechnika przeciw epidemii”

Z myślą o usprawnieniu finansowym działalności związanej ze zwalczaniem COVID-19 uczelnia uruchamia program „Politechnika przeciw epidemii”, w ramach którego wszyscy zainteresowani mogą udzielić wsparcia pieniężnego na prace badawcze prowadzone na Politechnice Śląskiej.

Bazując na idei finansowania społecznościowego, Politechnika Śląska zdecydowała się utworzyć swego rodzaju przestrzeń dla nowej formy wsparcia. Wpłaty są w pełni dobrowolne i mogą zostać dokonane przez osoby fizyczne i prawne oraz jednostki organizacyjne nieposiadające osobowości prawnej.

Ze środków pozyskanych drogą wolnych datków naukowcy Politechniki Śląskiej będą mogli korzystać przy realizacji działań na rzecz walki z COVID-19, a także w prowadzeniu przedsięwzięć dotyczących innych chorób zakaźnych oraz zminimalizowania konsekwencji stanu epidemii.

Pracujących i studiujących na innych uczelniach zachęcamy do kontaktowania się z naukowcami i studentami Politechniki Śląskiej i wspólnego tworzenia projektów na rzecz zwalczania epidemii.

Prace nad wnioskami będą dokonywane w ramach obrad specjalnej komisji, na którą składają się przedstawiciele władz uczelni, pracownicy, doktoranci i studenci.

Zachęcamy do zaangażowania się w inicjatywę Politechniki Śląskiej!

Na potrzeby programu zostało uruchomione subkonto:

PL 20 1050 1214 1000 0024 6643 9409

Kontakt:

e-mail: [email protected] tel. (48) 32 237 11 81

Materiał Politechniki Śląskiej