Повітряний фільтр з графеном затримує та вбиває бактерії
Вчені розробили стерилізуючий графеновий фільтр, який захоплює мікроби та їх шкідливі продукти з повітря і знищує їх. Вони передбачають, що пристрій буде корисним у лікарнях та інших закладах охорони здоров’я.
Щороку приблизно 1 з 25 пацієнтів у Сполучених Штатах отримує принаймні одну інфекцію через лікарняну допомогу, за даними Центрів контролю та профілактики захворювань (CDC).
Недавня стаття в журналі ACS Nano описує самостерилізуючий графеновий фільтр та його ефективність у тестах.
Пристрій є дітищем старшого автора дослідження Джеймса М. Тура, доктора філософії, та його команди з університету Райса в Х'юстоні, штат Техас, де Тур займає професорські посади в галузі матеріалознавства та наноінженерії, а також хімії та інформатики.
"Так багато пацієнтів заражаються бактеріями та продуктами їх обміну, що, наприклад, може призвести до сепсису, перебуваючи в лікарні", - говорить професор Тур.
Фільтр використовує технологію лазерного індукованого графену (LIG). Графен - це вуглець, який надзвичайно тонкий, дуже міцний і здатний проводити електрику.
Графен має багато застосувань, які, крім медицини, можуть варіюватися від цифрової електроніки до аерокосмічної техніки.
Самостерилізуючий графеновий повітряний фільтр
LIG - це пориста графенова піна, яка утворюється, коли промисловий лазерний різак нагріває поверхню листа полііміду, звичайного високоміцного полімеру.
Оскільки професор Тур і його команда відкрили процес створення LIG у 2014 році, це породило багато застосувань, починаючи від електроніки та закінчуючи мистецтвом.
Команда виявила, що вони можуть адаптувати LIG для використання як фільтр, утворюючи графен з обох сторін полііміду. Це утворює тонку - але міцну - 3D-решітку полімеру, яка зміцнює піну графена.
Врешті-решт вони виявили, що вони можуть побудувати фільтр, що включає густі ліси з провідних графенових волокон на шарах з переплетених листів.
Завдяки своїй структурі пінопластовий фільтр може захоплювати мікроорганізми, такі як бактерії та гриби, разом з іншими забруднювачами, що потрапляють у повітря, такими як спори, пріони та різні токсичні сполуки, які присутні в аерозолях, краплях та частинках.
Фільтр затримує і руйнує те, що він захоплює, періодично нагріваючись до температури 350 ° C (660 ° F) в результаті проходження через нього електрики. Щоб досягти цієї температури, йому не потрібно багато енергії, і для того, щоб знову охолонути, знадобиться лише кілька секунд.
Знищує шкідливі молекули
Температура 350 ° C досить гаряча, щоб знищити мікроорганізми та будь-які побічні продукти, які можуть годувати нових мікробів, а також будь-які "молекули, які можуть спричинити несприятливі біологічні реакції та захворювання", зазначають автори.
"Ці молекули включають пірогени, алергени, екзотоксини, ендотоксини, мікотоксини, нуклеїнові кислоти та пріони", - додають вони.
"Нам потрібні більше методів, - пояснює професор Тур, - для боротьби з повітряною передачею не тільки бактерій, але й продуктів їх подальшого перебігу, що може викликати важкі реакції у пацієнтів".
"Деякі з цих продуктів, такі як ендотоксини, повинні піддаватися впливу температури 300 ° C, щоб їх дезактивувати", - додає він.
Професор Тур припускає, що знищення молекул, що продукують бактерії, суттєво зменшить ризик їх поширення серед пацієнтів, що призведе до коротших госпіталізацій, зменшення захворюваності та меншої кількості смертей.
Він та його команда вважають, що єдиний спеціальний фільтр LIG може замінити два фільтри, які лікарні в даний час повинні встановлювати у своїх вентиляційних системах, щоб відповідати федеральним правилам.
У своїй роботі дослідники описують, як вони тестували фільтр LIG, використовуючи комерційну систему вакуумної фільтрації повітря, яка працює шляхом всмоктування повітря зі швидкістю 10 літрів на хвилину.
Вони проходили тест протягом 90 годин, не зупиняючись.Результати показали, що методом нагрівання вдалося стерилізувати фільтри всіх патогенних мікроорганізмів та їх побічних продуктів.
Потенційно більш тривалий повітряний фільтр
З тестів на культивування команда також виявила, що бактерії не проходили через фільтр LIG. Випробування включали культивування бактерій на мембрані після фільтру.
Дослідники також інкубували використані фільтри протягом 130 годин після 90 годин використання та досліджували їх. Вони порівняли результати з результатами інкубованих фільтрів, які не зазнали нагрівання.
Результати показали, що використані фільтри LIG, які зазнали багаторазових нападів нагрівання до температури вище 300 ° C, не відростили жодної бактерії під час інкубації. Це не було у випадку з неопалюваними фільтрами LIG.
Команда припускає, що можливість самостерилізації могла б дати фільтрам LIG довше життя, так що користувачам не потрібно буде замінювати їх так часто, як звичайніші повітряні фільтри.
Професор Тур також передбачає використання фільтрів LIG у комерційних літаках.
"Світ давно потребує певного підходу для пом'якшення повітряного переносу патогенів та пов'язаних з ними шкідливих продуктів".
Джеймс М. Тур
