Los consultorios dentales han estado cerrados desde marzo después de que la Asociación Dental Estadounidense y los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades les advirtieran que cerraran sus consultorios a todo menos a emergencias. Recientemente, proporcionaron un marco para la reapertura de las instalaciones, que exige que las oficinas lleven equipo de protección personal (EPP) adicional como máscaras, escudos, protección para los ojos, batas y guantes, y que se cambien con frecuencia. Las pautas exigen la limpieza completa de los espacios de trabajo entre pacientes y una pausa para permitir que los sistemas de filtración de aire eliminen las partículas potencialmente infecciosas.
La Facultad de Odontología de la UIC sigue las pautas para proteger a los pacientes, profesores, personal y estudiantes contra el COVID-19. Sin embargo, estas medidas no garantizan una protección completa frente a la inhalación de aerosoles generados por algunas de las herramientas esenciales utilizadas por los odontólogos.
Para mitigar los aerosoles, los líderes de la escuela de odontología se acercaron a expertos de la Facultad de Ingeniería de la UIC para ayudarlos a resolver el problema.
Los riesgos únicos para una escuela de odontología
«Durante años, hemos estado atentos al control de infecciones, y la pandemia de COVID ha centrado la atención en los problemas», dijo Clark Stanford, profesor distinguido de la UIC y decano de la Facultad de Odontología. «Con miles de millones de virus en el mundo, hemos tenido mucha suerte. COVID es una llamada de atención y podría haber algo más en el futuro».
Las amenazas de virus altamente infecciosos y transmitidos por el aire representan una amenaza única para la escuela. A diferencia de un consultorio dental de tres sillas, la Facultad de Odontología es mucho más grande. Múltiples clínicas grandes de compartimentos abiertos conforman muchos sillones y personas trabajando en el edificio. Es mucho más una atmósfera hospitalaria que crea un conjunto de problemas únicos y complejos.
«Este es un verdadero desafío por varias razones», dijo Lyndon Cooper, decano asociado de investigación en la Facultad de Odontología y director de biología oral de la UIC. «Una es que muchos pacientes son asintomáticos o presintomáticos, y las personas que ingresan a una clínica dental no necesariamente se presentan como un riesgo para nosotros. Por lo tanto, nuestra guardia está baja. En segundo lugar, los aerosoles no se ven. Existen al hablar, gritar, estornudar y todas estas cosas pueden transmitir un virus. En un entorno dental abierto, como una escuela de odontología o un consultorio dental con varios sillones, se enfrenta a una amenaza invisible que debe ser contenida. Y eso realmente pone esto en la esfera de lo desconocido «.
Los funcionarios de odontología trabajaron con los gerentes y consultores de las instalaciones, quienes han revisado el sistema de HVAC y la calidad del aire para aumentar el intercambio de aire para proporcionar un 100 por ciento de aire exterior, lo que minimizará la recirculación. También agregaron filtración HEPA en todo el edificio y tecnología de ionización bipolar para proporcionar capas adicionales de protección.
También están tomando medidas para lidiar con el comportamiento humano para asegurarse de que la calidad del aire sea segura. Esto se logrará limitando el número de personas y reduciendo la densidad y la distancia entre las personas.
Una tercera medida que querían averiguar es cómo reducir la cantidad de aerosoles generados y hasta dónde pueden propagarse. Si bien existen instrumentos para alejar el aerosol del paciente y del dentista, la idea de reducir el aerosol es un enfoque novedoso. Para responder a esta pregunta, los líderes dentales acudieron a la Facultad de Ingeniería de la UIC.
«El aspecto fascinante de esto es la colaboración entre la ingeniería y la facultad de odontología. Tener la participación de personas que puedan analizar algunos de los esfuerzos de mitigación que estamos considerando y evaluando en tiempo real con su equipo y experiencia para que podamos no hacer suposiciones es reconfortante «, dijo Susan Rowan, decana adjunta ejecutiva y decana asociada de asuntos clínicos en la Facultad de Odontología de la UIC. «Nosotros, como universidad, nos basamos en los datos y queremos asegurarnos de que lo que estamos haciendo sea lo mejor para nuestros pacientes, así como para nuestro personal, profesores y estudiantes».
Ingeniería de una solución
El equipo de ingeniería de la UIC, formado por profesores y estudiantes de Ingeniería Mecánica e Industrial (MIE) e Ingeniería Eléctrica e Informática (ECE), está estudiando cómo se dispersan los aerosoles de los instrumentos dentales.
Constantine Megaridis, profesora distinguida de la UIC en MIE, y la investigadora postdoctoral Tamal Roy están analizando las gotas gruesas que generan los instrumentos dentales, incluida la forma en que una herramienta vibratoria ultrasónica llamada Cavitron arroja gotas de su punta.
«Estos dispositivos son omnipresentes en la práctica dental y generan grandes cantidades de diminutas gotas de agua que podrían representar una amenaza para los odontólogos y los pacientes si transportan el virus de la saliva de un paciente infectado», dijo Megaridis. «Existe la posibilidad de que el COVID-19 se propague en consultorios dentales y clínicas cuando el aerosol generado por este dispositivo golpea un diente u otro tejido de la boca, recoge algo de saliva y se libera de la cavidad bucal con el aliento. Mi lab está utilizando herramientas ópticas y de imágenes de alta velocidad para observar el desprendimiento de gotas de la punta de Cavitron en términos de su tamaño y concentración en el espacio «.
La profesora asociada de MIE Parisa Mirbod y su equipo, incluido el Ph.D. Los estudiantes Eileen Haffner y Maryam Bagheri, utilizaron Velocimetría de imagen de partículas y Velocimetría de seguimiento de partículas para la visualización del flujo para rastrear, medir y examinar las velocidades y la distancia de las gotas individuales. También utilizaron técnicas de shadowgraphy para definir la distribución de las gotas, centrándose en las gotas finas y gruesas.
«Los procedimientos dentales producen partículas en el aire que son responsables de transmitir virus, incluido el SARS-CoV-2, al aire. Estudiamos las gotas producidas por el Cavitron utilizando técnicas experimentales de vanguardia para comprender qué tan lejos se mueven y con qué velocidades. Estos datos se pueden utilizar en el análisis CFD para analizar más a fondo el título viral en la clínica «, dijo Mirbod.
El profesor asociado de ECE Igor Paprotny y su Ph.D. El estudiante Anuj Singhal está contribuyendo a la investigación al observar partículas finas y ultrafinas.
«Lo que estamos viendo son aerosoles (gotitas y partículas) que tienen menos de 10 micrómetros de diámetro, centrándonos en aerosoles de dos micrómetros y medio y más pequeños. Recientemente, hemos estado observando partículas a nanoescala de tamaño, los llamados aerosoles ultrafinos, en general por debajo de un micrómetro de tamaño «, dijo Paprotny
Señaló que los aerosoles de más de 10 micrones no se asentarán rápidamente. Los aerosoles de menos de 10 micrones y los de dos micrones y medio o menos permanecerán suspendidos en el aire durante mucho tiempo y seguirán las corrientes de aire. Con cada vez más pruebas de que COVID-19 es una enfermedad transmitida por el aire, estos diminutos aerosoles tienen el potencial de transmitir el virus a otros pacientes y personas que trabajan en entornos dentales.
«Estamos utilizando una serie de instrumentos de medición de aerosoles que registran la concentración de aerosoles en el aire y pueden mapear los canales de estas gotas que emanan de diferentes fuentes», dijo Paprotny. «Esto nos permite construir una imagen del tamaño de los aerosoles que flotan en el procedimiento dental utilizado y, a su vez, determinar la concentración de estos aerosoles en toda la clínica dental».
El jefe del departamento de MIE, Farzad Mashayek, dirige el equipo de ingeniería y dirige el equipo de dinámica de fluidos computacional (CFD), que incluye al profesor Jonathan Komperda y al Ph.D. estudiantes Dongru Li, Ahmad Peyvan y Babak Kashir.
«Usamos simulaciones por computadora para determinar la velocidad del aire, la temperatura y la humedad en diferentes lugares de la clínica. Con esta información, aplicamos simulaciones por computadora para rastrear gotas y aerosoles para predecir la carga viral en la clínica», dijo Mashayek, quien está trabajando con los datos recopilados de los demás miembros del equipo de ingeniería.
Este trabajo está relacionado con la gran clínica dental de UIC que se utiliza para múltiples pacientes simultáneamente. El tamaño de la sala y los detalles del mobiliario y el equipo plantean un desafío, por lo que las simulaciones deben planificarse cuidadosamente y realizarse con los recursos computacionales disponibles durante un corto período de tiempo.
«Nuestro grupo ensambló tres computadoras nuevas en muy poco tiempo para su uso exclusivo en este proyecto», dijo Mashayek. «Nuestro trabajo une los datos de ingeniería generados por las simulaciones y los datos publicados sobre la carga viral con el fin de crear un mapa de calor para la habitación, permitiendo así a los dentistas evaluar el riesgo en diferentes ubicaciones dentro de la clínica».
Si bien esta investigación se centra en la clínica dental de UIC, Mashayek dijo que el enfoque podría usarse para crear mapas de calor para la mitigación de riesgos en otros espacios cerrados en el campus y más allá.
¿Es polímero la solucion a la pregunta?
Si bien los investigadores continúan obteniendo una mejor comprensión de las gotas que se forman y cómo viajan, todavía tienen una gran pregunta que responder: ¿Cómo mitigan los aerosoles?
«Lo que propuse y demostré es que se puede suprimir completamente la formación de aerosoles usando una solución de polímero acuoso diluido», dijo Alexander Yarin, profesor distinguido de la UIC en MIE. «Esencialmente, puedo tomar materiales de venta libre y usarlos en esta operación sin que se formen gotas».
Los investigadores identificaron varias soluciones de polímeros aprobadas por la FDA que pueden reemplazar el agua en el Cavitron y el taladro dental. Descubrieron que cuando el fluido se dispensa desde el raspador ultrasónico Cavitron, las gotas de rociado no se forman en absoluto, siendo completamente suprimidas por fuerzas elásticas. Lo mismo ocurre con el taladro giratorio, donde en lugar de gotas se forman filamentos largos, que ya no son peligrosos porque no se alejan del cabezal del taladro.
Yarin dijo que las soluciones viscoelásticas que estudiaron tienen características similares a la saliva, aunque con mayores tensiones elásticas. Lo demostró colocando saliva entre sus dedos y separándolos lentamente, lo que formó un hilo que muestra las fuerzas elásticas y es mantenido intacto por este último.
Con la solución de polímero, los hilos y filamentos no se rompen y las gotas no se desprenden, como se demostró en los experimentos de laboratorio y en la clínica dental. Yarin y su Ph.D. los estudiantes probaron las soluciones a bajas velocidades y a la velocidad más alta del taladro dental y todos los poderes de Cavitron, lo que proporcionó la misma supresión de la formación de gotas.
«Este parece ser un método totalmente nuevo de mitigación para este tipo de problema», dijo Yarin. «Este enfoque no es costoso en absoluto y no requiere ningún cambio en el dispositivo y, con la aprobación formal, la Facultad de Odontología puede comenzar a usarlo ahora mismo».
Doctor. los estudiantes Yasmin Dias, Jevon Plog y Jingwei Wu trabajaron bajo la dirección de Yarin en esta investigación. «Estos tres estudiantes fueron muy instrumentales y llegaron heroicamente a la UIC cuando todo estaba cerrado, y trabajamos solos allí durante bastante tiempo», dijo Yarin.
UIC ahora está solicitando una patente para esta nueva tecnología y trabajando con empresas para implementar el proceso, lo que permitirá que las escuelas y clínicas dentales reabran y operen de manera segura. Su investigación se publicará como un artículo destacado en la revista Physics of Fluids bajo el título Reapertura de la odontología después de COVID-19: Supresión completa de la aerosolización en procedimientos dentales por Viscoelástica Medusa Gorgo.