Grafen luftfilter fælder og dræber bakterier
Forskere har udviklet et steriliserende grafenfilter, der fanger mikrober og deres skadelige produkter fra luften og ødelægger dem. De forestiller sig, at enheden er nyttig på hospitaler og andre sundhedsindstillinger.
Hvert år erhverver omkring 1 ud af 25 patienter i USA mindst en infektion på grund af hospitalsbehandling, ifølge Centers for Disease Control and Prevention (CDC).
En nylig artikel i tidsskriftet ACS Nano beskriver det selvsteriliserende grafenfilter, og hvordan det fungerede i test.
Enheden er udtænkt af seniorforfatter James M. Tour, Ph.D., og hans team ved Rice University i Houston TX, hvor Tour har professorater inden for materialevidenskab og nanoingeniør samt kemi og datalogi.
”Så mange patienter bliver inficeret af bakterier og deres metaboliske produkter, som for eksempel kan resultere i sepsis, mens de er på hospitalet,” siger prof. Tour.
Filteret indeholder laserinduceret grafen (LIG) teknologi. Grafen er en form for kulstof, der er ekstremt tynd, meget stærk og i stand til at lede elektricitet.
Graphene har mange applikationer, som ud over medicin kan variere fra digital elektronik til rumfartsteknik.
Selvsteriliserende grafenluftfilter
LIG er et porøst grafenskum, der dannes, når en industriel laserskærer opvarmer overfladen af et ark polyimid, en almindelig højstyrkepolymer.
Siden prof. Tour og hans team opdagede processen til fremstilling af LIG i 2014, har det givet anledning til mange applikationer lige fra elektronik til kunst.
Holdet fandt ud af, at de kunne tilpasse LIG til brug som et filter ved at danne grafen på begge sider af polyimidet. Dette producerer et tyndt - men stærkt - 3D gitter af polymeren, der forstærker grafenskummet.
Til sidst fandt de ud af, at de kunne bygge et filter bestående af tykke skove af ledende grafenfibre på senge af sammenflettet ark.
På grund af dets struktur kan skumfilteret fange mikroorganismer, såsom bakterier og svampe sammen med andre luftbårne forurenende stoffer, såsom sporer, prioner og forskellige giftige forbindelser, der findes i aerosoler, dråber og partikler.
Filteret fanger og ødelægger, hvad det fanger ved periodisk opvarmning til en temperatur på 350 ° C (660 ° F) som et resultat af, at elektricitet passerer gennem det. Det har ikke brug for meget strøm for at nå denne temperatur, og det tager kun et par sekunder at køle ned igen.
Ødelægger skadelige molekyler
Temperaturen på 350 ° C er varm nok til at dræbe mikroorganismer og eventuelle biprodukter, der kan fodre nye mikrober, samt alle "molekyler, der kan forårsage ugunstige biologiske reaktioner og sygdomme," bemærker forfatterne.
”Disse molekyler inkluderer pyrogener, allergener, exotoksiner, endotoksiner, mykotoksiner, nukleinsyrer og prioner,” tilføjer de.
"Vi har brug for flere metoder," forklarer prof. Tour, "for at bekæmpe luftbåren overførsel af ikke kun bakterier, men også deres downstream-produkter, hvilket kan forårsage alvorlige reaktioner blandt patienter."
”Nogle af disse produkter, som endotoksiner, skal udsættes for temperaturer på 300 ° C for at deaktivere dem," tilføjer han.
Prof. Tour antyder, at ødelæggelse af bakterieproducerende molekyler vil reducere risikoen for spredning betydeligt blandt patienter, hvilket resulterer i kortere indlæggelser, mindre sygdom og færre dødsfald.
Han og hans team mener, at et enkelt specialbygget LIG-filter kunne erstatte de to filtre, som hospitaler i øjeblikket skal installere i deres ventilationssystemer for at overholde føderale regler.
I deres studieoplæg beskriver forskerne, hvordan de testede LIG-filteret ved hjælp af et kommercielt vakuumluftfiltreringssystem, der fungerer ved at suge luft med en hastighed på 10 liter pr. Minut.
De kørte testen i 90 timer uden at stoppe.Resultaterne viste, at opvarmningsmetoden lykkedes at sterilisere filtrene af alle patogener og deres biprodukter.
Potentielt længerevarende luftfilter
Fra dyrkningstest fandt holdet også ud, at bakterier ikke passerede gennem LIG-filteret. Testene involverede dyrkning af bakterier på en membran nedstrøms for filteret.
Forskerne inkuberede også brugte filtre i 130 timer efter de 90 timers brug og undersøgte dem. De sammenlignede resultaterne med de inkuberede filtre, der ikke havde gennemgået nogen opvarmning.
Resultaterne viste, at de anvendte LIG-filtre, som havde gennemgået gentagne opvarmningsperioder til temperaturer over 300 ° C, ikke havde genvundet nogen bakterier under inkubationen. Dette var ikke tilfældet med de uopvarmede LIG-filtre.
Holdet foreslår, at evnen til selvsterilisering kunne give LIG-filtre en længere levetid, så brugerne ikke behøver at udskifte dem så ofte som de mere konventionelle luftfiltre.
Prof. Tour forudser også anvendelse af LIG-filtre i kommercielle fly.
"Verden har længe haft brug for en eller anden tilgang til at afbøde den luftbårne overførsel af patogener og deres relaterede skadelige produkter."
Prof. James M. Tour
