Grafenowy filtr powietrza zatrzymuje i zabija bakterie
Naukowcy opracowali sterylizujący filtr grafenowy, który wychwytuje mikroby i ich szkodliwe produkty z powietrza i je niszczy. Przewidują, że urządzenie będzie przydatne w szpitalach i innych placówkach opieki zdrowotnej.
Według Centers for Disease Control and Prevention (CDC), każdego roku około 1 na 25 pacjentów w Stanach Zjednoczonych zapada na co najmniej jedną infekcję z powodu opieki szpitalnej.
Niedawny artykuł w czasopiśmie ACS Nano opisuje samosterylizujący się filtr grafenowy i jego działanie w testach.
Urządzenie jest pomysłem starszego autora badań dr. Jamesa M. Toura i jego zespołu na Uniwersytecie Rice w Houston w Teksasie, gdzie Tour jest profesorem materiałoznawstwa i nanoinżynierii, a także chemii i informatyki.
„Tak wielu pacjentów zostaje zarażonych bakteriami i produktami ich przemiany materii, co na przykład może skutkować posocznicą w szpitalu” - mówi prof. Tour.
Filtr wykorzystuje technologię grafenu indukowanego laserem (LIG). Grafen to forma węgla, który jest niezwykle cienki, bardzo mocny i zdolny do przewodzenia energii elektrycznej.
Grafen ma wiele zastosowań, które oprócz medycyny mogą obejmować zarówno elektronikę cyfrową, jak i inżynierię lotniczą.
Samosterylizujący się grafenowy filtr powietrza
LIG to porowata pianka grafenowa, która tworzy się, gdy przemysłowa wycinarka laserowa ogrzewa powierzchnię arkusza poliimidu, popularnego polimeru o wysokiej wytrzymałości.
Odkąd prof. Tour i jego zespół odkryli proces tworzenia LIG w 2014 r., Zaowocował on wieloma zastosowaniami, od elektroniki po sztukę.
Zespół odkrył, że mogą dostosować LIG do użycia jako filtr, tworząc grafen po obu stronach poliimidu. Tworzy to cienką - ale mocną - trójwymiarową siatkę polimeru, która wzmacnia piankę grafenową.
W końcu odkryli, że mogą zbudować filtr składający się z gęstych lasów przewodzących włókien grafenu na warstwach przeplatanych arkuszy.
Ze względu na swoją strukturę filtr piankowy może wychwytywać mikroorganizmy, takie jak bakterie i grzyby, a także inne zanieczyszczenia unoszące się w powietrzu, takie jak zarodniki, priony i różne toksyczne związki obecne w aerozolach, kropelkach i cząsteczkach.
Filtr wyłapuje i niszczy to, co wychwytuje, okresowo nagrzewając się do temperatury 350 ° C (660 ° F) w wyniku przepływającej przez niego energii elektrycznej. Osiągnięcie tej temperatury nie wymaga dużej mocy, a ponowne ostygnięcie zajmuje tylko kilka sekund.
Niszczy szkodliwe cząsteczki
Temperatura 350 ° C jest na tyle wysoka, że zabija mikroorganizmy i wszelkie produkty uboczne, które mogłyby zasilić nowe drobnoustroje, a także wszelkie „cząsteczki, które mogą powodować niepożądane reakcje biologiczne i choroby” - zauważają autorzy.
„Te cząsteczki obejmują pirogeny, alergeny, egzotoksyny, endotoksyny, mykotoksyny, kwasy nukleinowe i priony” - dodają.
„Potrzebujemy więcej metod”, wyjaśnia prof. Tour, „aby zwalczać przenoszenie się nie tylko bakterii, ale także ich produktów pochodnych, które mogą powodować poważne reakcje wśród pacjentów”.
„Niektóre z tych produktów, np. Endotoksyny, muszą być wystawiane na działanie temperatury 300 ° C w celu ich dezaktywacji” - dodaje.
Prof. Tour sugeruje, że niszczenie cząsteczek wytwarzających bakterie znacznie zmniejszyłoby ryzyko ich rozprzestrzeniania się wśród pacjentów, skutkując krótszymi hospitalizacjami, mniejszą liczbą chorób i mniejszą liczbą zgonów.
On i jego zespół uważają, że pojedynczy niestandardowy filtr LIG mógłby zastąpić dwa filtry, które szpitale muszą obecnie instalować w swoich systemach wentylacyjnych, aby zachować zgodność z przepisami federalnymi.
W swoim artykule badawczym naukowcy opisują, w jaki sposób przetestowali filtr LIG przy użyciu komercyjnego systemu próżniowej filtracji powietrza, który działa poprzez zasysanie powietrza z szybkością 10 litrów na minutę.
Prowadzili test przez 90 godzin bez przerwy.Wyniki pokazały, że metoda ogrzewania pozwoliła na wysterylizowanie filtrów wszystkich patogenów i ich produktów ubocznych.
Potencjalnie trwalszy filtr powietrza
Na podstawie testów hodowlanych zespół odkrył również, że bakterie nie przeszły przez filtr LIG. Testy obejmowały hodowlę bakterii na membranie za filtrem.
Naukowcy inkubowali również zużyte filtry przez 130 godzin po 90 godzinach użytkowania i badali je. Porównali wyniki z wynikami inkubowanych filtrów, które nie zostały poddane żadnemu ogrzewaniu.
Wyniki pokazały, że zastosowane filtry LIG, które były wielokrotnie podgrzewane do temperatur powyżej 300 ° C, nie wyrosły podczas inkubacji. Tak nie było w przypadku nieogrzewanych filtrów LIG.
Zespół sugeruje, że możliwość samosterylizacji może zapewnić filtrom LIG dłuższą żywotność, dzięki czemu użytkownicy nie będą musieli wymieniać ich tak często, jak bardziej konwencjonalne filtry powietrza.
Prof. Tour przewiduje również zastosowanie filtrów LIG w samolotach komercyjnych.
„Świat od dawna potrzebował jakiegoś podejścia, aby złagodzić przenoszenie patogenów i związanych z nimi szkodliwych produktów w powietrzu”.
Prof. James M. Tour
