Графеновый воздушный фильтр задерживает и убивает бактерии
Ученые разработали стерилизующий графеновый фильтр, который улавливает микробы и их вредные продукты из воздуха и уничтожает их. Они предполагают, что устройство будет полезно в больницах и других медицинских учреждениях.
По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC), каждый год около 1 из 25 пациентов в Соединенных Штатах приобретает хотя бы одну инфекцию из-за стационарного лечения.
Недавняя статья в журнале САУ Нано описывает самостерилизующийся графеновый фильтр и его тесты.
Устройство является детищем старшего автора исследования Джеймса М. Тура, доктора философии, и его команды из Университета Райса в Хьюстоне, штат Техас, где Тур является профессором материаловедения и наноинженерии, а также химии и информатики.
«Так много пациентов заражаются бактериями и продуктами их метаболизма, что, например, может привести к сепсису в больнице», - говорит профессор Тур.
В фильтре используется технология лазерно-индуцированного графена (LIG). Графен - это очень тонкий, очень прочный углерод, способный проводить электричество.
Графен имеет множество применений, которые, помимо медицины, могут варьироваться от цифровой электроники до аэрокосмической техники.
Самостерилизующийся воздушный фильтр из графена
LIG - это пористая графеновая пена, которая образуется, когда промышленный лазерный резак нагревает поверхность листа полиимида, обычного высокопрочного полимера.
С тех пор, как профессор Тур и его команда открыли процесс изготовления LIG в 2014 году, он дал начало множеству приложений, от электроники до искусства.
Команда обнаружила, что они могут адаптировать LIG для использования в качестве фильтра, сформировав графен с обеих сторон полиимида. Это создает тонкую, но прочную трехмерную решетку полимера, которая усиливает пену графена.
В конце концов, они обнаружили, что могут построить фильтр, состоящий из густых лесов проводящих графеновых волокон на слоях чередующихся листов.
Благодаря своей структуре поролоновый фильтр может улавливать микроорганизмы, такие как бактерии и грибки, а также другие загрязнители, переносимые по воздуху, такие как споры, прионы и различные токсичные соединения, присутствующие в аэрозолях, каплях и частицах.
Фильтр улавливает и разрушает то, что улавливает, периодически нагревая до температуры 350 ° C (660 ° F) в результате прохождения через него электричества. Для достижения этой температуры не требуется много энергии, и требуется всего несколько секунд, чтобы снова остыть.
Уничтожает вредные молекулы
Температура 350 ° C достаточно высока, чтобы убить микроорганизмы и любые побочные продукты, которые могут питать новые микробы, а также любые «молекулы, которые могут вызывать неблагоприятные биологические реакции и заболевания», отмечают авторы.
«Эти молекулы включают пирогены, аллергены, экзотоксины, эндотоксины, микотоксины, нуклеиновые кислоты и прионы», - добавляют они.
«Нам нужно больше методов, - объясняет профессор Тур, - для борьбы с переносом по воздуху не только бактерий, но и продуктов их переработки, которые могут вызывать серьезные реакции у пациентов».
«Некоторые из этих продуктов, например эндотоксины, необходимо подвергать воздействию температур 300 ° C, чтобы их дезактивировать», - добавляет он.
Профессор Тур предполагает, что уничтожение молекул, продуцирующих бактерии, значительно снизит риск их распространения среди пациентов, что приведет к более коротким госпитализациям, меньшему количеству болезней и меньшему количеству смертей.
Он и его команда считают, что один изготовленный на заказ фильтр LIG может заменить два фильтра, которые больницы в настоящее время должны устанавливать в своих системах вентиляции в соответствии с федеральными правилами.
В своей исследовательской работе исследователи описывают, как они тестировали фильтр LIG с использованием коммерческой системы вакуумной фильтрации воздуха, которая работает путем всасывания воздуха со скоростью 10 литров в минуту.
Они провели тест 90 часов без остановки.Результаты показали, что метод нагрева позволил стерилизовать фильтры от всех патогенов и их побочных продуктов.
Потенциально более долговечный воздушный фильтр
В ходе испытаний на культивирование команда также обнаружила, что бактерии не проходят через фильтр LIG. Тесты включали культивирование бактерий на мембране после фильтра.
Исследователи также инкубировали использованные фильтры в течение 130 часов после 90 часов использования и исследовали их. Они сравнили результаты с результатами инкубированных фильтров, которые не подвергались нагреву.
Результаты показали, что в использованных фильтрах LIG, которые неоднократно нагревали до температуры выше 300 ° C, не размножались бактерии во время инкубации. С фильтрами LIG без подогрева дело обстоит иначе.
Команда предполагает, что способность к самостерилизации может продлить срок службы фильтров LIG, чтобы пользователям не приходилось заменять их так часто, как более обычные воздушные фильтры.
Проф. Тур также предполагает использование LIG-фильтров в коммерческих самолетах.
«Миру уже давно нужен какой-то подход, чтобы уменьшить перенос патогенов по воздуху и связанных с ними вредных продуктов».
Профессор Джеймс М. Тур
