מחשבות על הלוגיסטיקה, האריזות והקְרִיוֹגֶנִיקָה של חיסוני הקורונה

הידיעה שחברות מודרנה ופייזר הצליחו לפתח חיסונים נגד וירוס הקורונה עם יעילות מוכחת שעולה על 90% בניסוי קליני ענק ובמהירות שיא היא לכל הדעות סיבה לחגוג את היכולת האנושית לחדשנות ומהירות תגובה אל מול איומים קטלניים. הבעיה היא שמדובר בהישג שרק שבריר מאוכלוסיית העולם יכול להנות ממנו כרגע. על מנת לשמור על יציבות, יש לאחסן את החיסון של פייזר בטמפ’ של מינוס 70 מעלות ב”חוות הקפאה” שתומחרו, לפני המגיפה, ב-15,000 דולר ליחידה. את החיסון של מודרנה ניתן לשמור בטמפ’ של מקפיא ביתי ממוצע, אבל גם אותו יש לתת בשתי מנות נפרדות עם פער של כמה שבועות ביניהן – אתגר לוגיסטי לא פשוט בפני עצמו במרבית מדינות העולם.

 

גם בתי חולים מקדמים בארה”ב, אירופה וישראל, במדינות שבהן הממשלות כבר רכשו מאות מיליוני מנות של חיסוני mRNA, עומדים בפני אתגרים לא פשוטים בכל הקשור למערך הלוגיסטי הנדרש כדי לשנע, לאחסן ולחסן את המטופלים בצורה בטוחה – במיוחד כל אלה שממוקמים בפריפרייה – בדיוק אותה פריפרייה שסובלת יותר מתחלואה ותמותה במגיפה זאת. לא כל שכן כאשר מדובר במדינות באפריקה, דרום-אמריקה ואסיה. אינדונזיה, למשל, כבר פסלה מראש את החיסון של פייזר מתוך הבנה שאין לו סיכוי לשרוד מהלך הפצה בין 17,000 איים ו-270 מיליון נפש.

 

במילים אחרות, פייזר ומודרנה ייצרו למבורגיני, כשהעולם זקוק נואשות לטויוטה – חיסון שניתן לייצר, לאחסן ולהפיץ בקלות ובזול, דרך ערוצי הפצה קיימים. התקווה היא שיכולת ההמצאה האנושית שאפשרה למודרנה לפתח טכנולוגיית ייצוב לחיסון שלה שחוסכת את הצורך בהקפאה קְרִיוֹגֶנִית (מתחת למינוס 70 מעלות) תאפשר גם לפייזר וחברות אחרות בעתיד ל”הוריד את הלמבורגיני אל העם”. בינתיים, מערכי ההפצה הייעודיים ששתי החברות תכננו עבור החיסונים מעוררים הרבה עניין בכל מי שעוסק בלוגיסטיקה ‘אתגרית’ ואריזה רפואית.

 

לאחר מיהול, כל בקבוקון חיסון רב-מנתי  של חברת פייזר מכיל -65 מנות חיסון, שברגע שהן מתחילות להפשיר מהטמפ’ של מינוס 70, מחזיקות מעמד חמישה ימים עד שהן מתקלקלות. הבקבוקון של מודרנה מכיל 10 מנות שניתן לשמור בטמפ’ של מינוס 20 למשך שישה חודשים. הבקבוקונים של פייזר נכנסים אל מיכלים שתוככנו במיוחד למהלך המאתגר: ראשית הם נכנסים לקופסא שמזכירה בגודלה מגש למשלוח פיצה – כל קופסא מכילה 195 בקבוקונים – יותר מאלף מנות. הבקבוקנים של מודרנה ייכנסו לקופסאות של 10 יחידות, או מאה מנות. המגשים של פייזר נכנסים לקופסא בגודל של מזוודה שמסוגלת להכיל כמעט 6,000 מנות חיסון. את המיכלים האלה ממלאים בקרח יבש שמאפשר לשמר את יעילות החיסונים למשך 30 יום.  הקרטונים של מודרנה נכנסים לזיווד שמוסגל להכיל עד 1,200 מנות ומאפשר חיי מדף בהקפאה של שיה חודשים. בניגוד לפתרון של פייזר, את החיסון של מודרנה ניתן לשנע בכמויות של מאה מנות בלבד בכל פעם.

הידיעה שחברות מודרנה ופייזר הצליחו לפתח חיסונים נגד וירוס הקורונה עם יעילות מוכחת שעולה על 90% בניסוי קליני ענק ובמהירות שיא היא לכל הדעות סיבה לחגוג את היכולת האנושית לחדשנות ומהירות תגובה אל מול איומים קטלניים. הבעיה היא שמדובר בהישג שרק שבריר מאוכלוסיית העולם יכול להנות ממנו כרגע. על מנת לשמור על יציבות, יש לאחסן את החיסון של פייזר בטמפ’ של מינוס 70 מעלות ב”חוות הקפאה” שתומחרו, לפני המגיפה, ב-15,000 דולר ליחידה. את החיסון של מודרנה ניתן לשמור בטמפ’ של מקפיא ביתי ממוצע, אבל גם אותו יש לתת בשתי מנות נפרדות עם פער של כמה שבועות ביניהן – אתגר לוגיסטי לא פשוט בפני עצמו במרבית מדינות העולם.

 

גם בתי חולים מקדמים בארה”ב, אירופה וישראל, במדינות שבהן הממשלות כבר רכשו מאות מיליוני מנות של חיסוני mRNA, עומדים בפני אתגרים לא פשוטים בכל הקשור למערך הלוגיסטי הנדרש כדי לשנע, לאחסן ולחסן את המטופלים בצורה בטוחה – במיוחד כל אלה שממוקמים בפריפרייה – בדיוק אותה פריפרייה שסובלת יותר מתחלואה ותמותה במגיפה זאת. לא כל שכן כאשר מדובר במדינות באפריקה, דרום-אמריקה ואסיה. אינדונזיה, למשל, כבר פסלה מראש את החיסון של פייזר מתוך הבנה שאין לו סיכוי לשרוד מהלך הפצה בין 17,000 איים ו-270 מיליון נפש.

 

במילים אחרות, פייזר ומודרנה ייצרו למבורגיני, כשהעולם זקוק נואשות לטויוטה – חיסון שניתן לייצר, לאחסן ולהפיץ בקלות ובזול, דרך ערוצי הפצה קיימים. התקווה היא שיכולת ההמצאה האנושית שאפשרה למודרנה לפתח טכנולוגיית ייצוב לחיסון שלה שחוסכת את הצורך בהקפאה קְרִיוֹגֶנִית (מתחת למינוס 70 מעלות) תאפשר גם לפייזר וחברות אחרות בעתיד ל”הוריד את הלמבורגיני אל העם”. בינתיים, מערכי ההפצה הייעודיים ששתי החברות תכננו עבור החיסונים מעוררים הרבה עניין בכל מי שעוסק בלוגיסטיקה ‘אתגרית’ ואריזה רפואית.

 

לאחר מיהול, כל בקבוקון חיסון רב-מנתי  של חברת פייזר מכיל -65 מנות חיסון, שברגע שהן מתחילות להפשיר מהטמפ’ של מינוס 70, מחזיקות מעמד חמישה ימים עד שהן מתקלקלות. הבקבוקון של מודרנה מכיל 10 מנות שניתן לשמור בטמפ’ של מינוס 20 למשך שישה חודשים. הבקבוקונים של פייזר נכנסים אל מיכלים שתוככנו במיוחד למהלך המאתגר: ראשית הם נכנסים לקופסא שמזכירה בגודלה מגש למשלוח פיצה – כל קופסא מכילה 195 בקבוקונים – יותר מאלף מנות. הבקבוקנים של מודרנה ייכנסו לקופסאות של 10 יחידות, או מאה מנות. המגשים של פייזר נכנסים לקופסא בגודל של מזוודה שמסוגלת להכיל כמעט 6,000 מנות חיסון. את המיכלים האלה ממלאים בקרח יבש שמאפשר לשמר את יעילות החיסונים למשך 30 יום.  הקרטונים של מודרנה נכנסים לזיווד שמוסגל להכיל עד 1,200 מנות ומאפשר חיי מדף בהקפאה של שיה חודשים. בניגוד לפתרון של פייזר, את החיסון של מודרנה ניתן לשנע בכמויות של מאה מנות בלבד בכל פעם.

קְרִיוֹגֶנִיקָה היא ענף בפיזיקה שעוסק בחקר התופעות שמתרחשות בטמפרטורות נמוכות (מתחת למינוס 150 מעלות צלזיוס). המילה קריוגניקה, מקורה מהמילה היוונית ומשמעותה “התוצר של קיפאון”. חנקן נוזלי – הוא האלמנט המצוי ביותר בתחום הקריוגניקה והוא משמש לקירור והקפאה. פחמן דו חמצני (להלן פד”ח) במצב מוצק מכונה “קרח יבש” ובטמ’פ גבוהה ממינוס 78 החומר ‘ממריא’ כגז בלי להפוך קודם לנוזל. גושי קרח יבש מוחזקים בחדר פתוח ומאוורר או אף במזדרון (כמו שהוא מאוחסן במעבדות מחקר), עטופים בנייר ובתוך מיכל קלקר (פוליסטירן). הקלקר מונע כניסה של חום אך אינו אטום לגמרי כך שלא נוצר לחץ במיכל הנובע מהמראה של פד”ח. לעומתו חנקן נוזלי (משמש לקירור מכשור) ואתאן נוזלי (משמש במיקרוסקופיה קריוגנית) מוחזקים במיכלי מתכת בני נפח של 100 ליטר המיועדים לעמוד בלחץ של 7 אטמוספרות בלבד.

 

רוב הנתונים שענף הפלסטיקה מסתמך עליהם בכל הקשור לעמידות של חומרים בהקפאה קְרִיוֹגֶנִית מבוססים על מחקרים שנערכו על ידי סוכנות החלל האמירקאית NASA וסוכניות ממשלתיות אחרות בשנות השישים של המאה הקודמת. הניסיונות התמקדו בשיפור העמידות של אטמים, משאבות, מיסבים וכד’ בתעופה וחלל. כיום התרחבו היישומים באופן משמעותי והם כוללים, בנוסף לרפואה, גם קירור מחשבי-על, מאיצי חלקיקים, ומגנטים מוליכי-על.  היתרונות של חומרים פלסטיים בטמפ’ קריוגניות כוללים הולכה תרמית נמוכה, יכולות בידוד חשמלי, ביצועי אטימה והיכולת לשפר ביצועי שחיקה ללא צורך בלובריקציה (סיכה) חיצונית. עם זאת, חומרים פלסטיים רבים משנים את התכונות הרגילות שלהם בטמפ’ קריוגניות, מצב שחייב להילקח בחשבון בלשבי התכנון. הכוונה בסקירה זו היא רק לתת כמה דוגמאות לתכונות הייחודיות הללו על רקע העניין שהתגבר לאחרונה ביישומים קריוגניים. החומרים המובילים בתחום הם PEEK, PTFE, פוליקרבונט וחומרים הנדסיים דומים. עם זאת, ככל שהדרישות קיצוניות ו\או מגוונות יותר, נצר מקום לשימוש בשרפים אקזוטיים יותר ו\או חומרים מרוכבים יחודיים.

 

 

להלן מספר תופעות שמאפיינות תכונות מכאניות של חומרים פלסטיים בטמפרטורות קריוגניות:

1. רמת הגבישיות משפיעה על רמת הפריכות (Brittleness) של חומרים פלסטיים. הקשיחות של PTFE (‘טפלון’) למשל, חומר שמשמש ביישומי אטימה הנדסיים רבים, הולכת ועולה ככל שמקררים את החומר. ככל שרמת הגבישיות של החומר גבוהה יותר כך תושפע רמת הקשיחות (stiffness או compressive modulus) יותר ככל שהטמפ’ יורדת. נתון זה משמעותי אם רוצים לחשב את העומס שיש להפעיל על האטם על מנת שייצמד למתכת למשל.
2. רמת ההתארכות (elongation) של פוליקרבונט עוברת מ-18% בטמפ’ החדר ל-1% במינוס 273 מעלות (אפס מעלות קלוין) לירידה הזאת יש משמעות קריטית באטימה – משום שהחומר יהפוך פריך וייסדק. החלפה של הפוליקרבונט בחומר כמו פוליאימיד, למשל, תפתור את הבעיה.
3. העמידות של פוליקרבונט בהלימה נחלשת בצורה משמעותית ככל שמקררים אותו – הן בדוגמאות פצורות ובדוגמאות בלתי-פצורות (Notched and un-notched Izod Impact) תכונה זאת תשפיע על המתכנן בכל הקשור לזוויות חדות או מערכי הברגה.
4. המשקל המולקולרי של החומר, כלומר, אורכן של השרשראות הפולימריות, על התנהגות החומר בטמפ’ נמוכות משפיע אף הוא על העמידות בהלימה. פוליקרבונט עם משקל מולקולרי גבוה יהיה עמיד יותר להלימה בטמפ’ נמוכות מפוליקרבונט עם משקל מולקולרי נמוך.
5. תכונה חשובה של חומרים פלסטיים, בכל הקשור לתכנון קריוגני, היא מקדם ההתרחבות התרמית – או CTE (Coefficient of Thermal Expansion). PTFE למשל מתכווץ בשיעור קיצוני של 2.2% במהלך מטמפ’ החדר לאפס המוחלט. אלומיניום, לשם השוואה, יתכווץ רק בשיעור של 0.5%. אם נשווה PTFE לפוליאמיד למשל, במשרעת הטמפרטורות שבין  מינוס 200 מעלות ל-250 מעלות צלזיוס, ה’טפלון’ מתרחב ב-5.5% בעוד שהפוליאמיד ב-2% בלבד. גם המילוי בסיבי זכוכית תורם לעמידות תרמית גבוה יותר – אם נשווה PEEK, למשל,  ללא סיבי זכוכית לאותו ה-PEEK  עם 30% סיבי זכוכית, בין טמפ’ החדר לאפס המוחלט, נראה התרחבות של 1% על פני משרעת הטמפ’ ב-PEEK ללא מלאנים מול 0.3% ב-PEEK עם 30% סיבי זכוכית. גם ההולכה התרמית של חומרים פלסטיים (Thermal Conductivity) משתנה משמעותית עם וללא מלאנים.
6. לבסוף, ביצועי חיכוך ושחיקה של חומרים פלסטיים בטמפ’ קריוגניות משמעותיים מאוד לתכנון של יישומים הנדסיים מתאימים. מקדמי החיכוך ומקדמי השחיקה של החומרים חייבים להילקח בחשבון ומאחר ומימן נוזלי וחנקן נוזלי יכולים להתנהג כגורמי סיכה בין חומרים פלסטיים לבין מתכות שהם פוגשים – גם גורם הקירור חייב להילקח בחשבון. מקדם החיכוך של PEEK, למשל, בטמפ’ החדר, בחנקן נוזלי (-196°C) ובמימן נוזלי   (-253°C) יורד מ-0.27, ל-0.13 ל-0.04 בהתאמה. סגסוגת של PEEK ליישומי מיסבים, עם 13% סיבי פחם ו-10% PTFE תאפשר קצב שחיקה מול דיסקיות פלדה של 0.7 [Wear Rate (mm³/Nm)x10^{− 6} ] בטמפ’ החדר מול 0.1 במימן נוזלי  (-253°C).