Grafeen luchtfilter vangt bacteriën op en doodt ze
Wetenschappers hebben een steriliserend grafeenfilter ontwikkeld dat microben en hun schadelijke producten uit de lucht opvangt en vernietigt. Ze stellen zich voor dat het apparaat nuttig kan zijn in ziekenhuizen en andere zorginstellingen.
Volgens de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) lopen elk jaar ongeveer 1 op de 25 patiënten in de Verenigde Staten ten minste één infectie op als gevolg van ziekenhuiszorg.
Een recent artikel in het tijdschrift ACS Nano beschrijft het zelfsteriliserende grafeenfilter en hoe het presteerde in tests.
Het apparaat is het geesteskind van senior auteur James M. Tour, Ph.D., en zijn team aan de Rice University in Houston TX, waar Tour hoogleraarschappen bekleedt in materiaalkunde en nano-engineering, evenals in scheikunde en informatica.
“Zoveel patiënten raken besmet door bacteriën en hun stofwisselingsproducten, die bijvoorbeeld in het ziekenhuis kunnen leiden tot sepsis”, zegt prof. Tour.
Het filter bevat lasergeïnduceerde grafeen (LIG) -technologie. Grafeen is een vorm van koolstof die extreem dun, erg sterk en in staat is om elektriciteit te geleiden.
Grafeen kent vele toepassingen, die naast de geneeskunde kunnen variëren van digitale elektronica tot lucht- en ruimtevaarttechniek.
Zelfsteriliserend grafeen luchtfilter
LIG is een poreus grafeenschuim dat ontstaat wanneer een industriële lasersnijder het oppervlak van een vel polyimide, een veelgebruikt polymeer met hoge sterkte, verhit.
Sinds Prof. Tour en zijn team in 2014 het proces voor het maken van LIG ontdekten, heeft het geleid tot veel toepassingen, variërend van elektronica tot kunst.
Het team ontdekte dat ze LIG konden aanpassen voor gebruik als filter door aan beide zijden van het polyimide grafeen te vormen. Dit levert een dun - maar sterk - 3D-rooster van het polymeer op dat het grafeenschuim versterkt.
Uiteindelijk ontdekten ze dat ze een filter konden bouwen dat bestaat uit dikke wouden van geleidende grafeenvezels op bedden van doorschoten vellen.
Vanwege zijn structuur kan het schuimfilter micro-organismen vangen, zoals bacteriën en schimmels, samen met andere luchtverontreinigingen, zoals sporen, prionen en verschillende giftige verbindingen die aanwezig zijn in aerosols, druppels en deeltjes.
Het filter vangt en vernietigt wat het vangt door periodiek op te warmen tot een temperatuur van 350 ° C (660 ° F) als gevolg van elektriciteit die er doorheen gaat. Het heeft niet veel stroom nodig om deze temperatuur te bereiken en het duurt maar een paar seconden om weer af te koelen.
Vernietigt schadelijke moleculen
De temperatuur van 350 ° C is hoog genoeg om micro-organismen en eventuele bijproducten te doden die nieuwe microben zouden kunnen voeden, evenals alle "moleculen die ongunstige biologische reacties en ziekten kunnen veroorzaken", merken de auteurs op.
"Deze moleculen omvatten pyrogenen, allergenen, exotoxinen, endotoxinen, mycotoxinen, nucleïnezuren en prionen," voegen ze eraan toe.
"We hebben meer methoden nodig", legt prof. Tour uit, "om de overdracht via de lucht van niet alleen bacteriën, maar ook hun producten stroomafwaarts, die ernstige reacties bij patiënten kunnen veroorzaken, tegen te gaan."
"Sommige van deze producten, zoals endotoxinen, moeten worden blootgesteld aan temperaturen van 300 ° C om ze te deactiveren", voegt hij eraan toe.
Prof. Tour suggereert dat het vernietigen van bacteriën-producerende moleculen het risico van verspreiding onder patiënten aanzienlijk zou verminderen, wat zou resulteren in kortere ziekenhuisopnames, minder ziekte en minder sterfgevallen.
Hij en zijn team zijn van mening dat een enkel op maat gemaakt LIG-filter de twee filters zou kunnen vervangen die ziekenhuizen momenteel in hun ventilatiesystemen moeten installeren om te voldoen aan federale voorschriften.
In hun studiepaper beschrijven de onderzoekers hoe ze het LIG-filter hebben getest met behulp van een commercieel vacuümluchtfiltersysteem dat werkt door lucht aan te zuigen met een snelheid van 10 liter per minuut.
Ze hebben de test 90 uur uitgevoerd zonder te stoppen.De resultaten toonden aan dat de verwarmingsmethode erin slaagde de filters van alle ziekteverwekkers en hun bijproducten te steriliseren.
Mogelijk duurzamere luchtfilter
Uit kweektests ontdekte het team ook dat bacteriën niet door het LIG-filter gingen. Bij de tests werden bacteriën gekweekt op een membraan stroomafwaarts van het filter.
De onderzoekers hebben gebruikte filters ook 130 uur na 90 uur gebruik geïncubeerd en onderzocht. Ze vergeleken de resultaten met die van geïncubeerde filters die geen verwarming hadden ondergaan.
De resultaten toonden aan dat de gebruikte LIG-filters, die herhaaldelijk verhit waren tot temperaturen boven 300 ° C, geen bacteriën hadden laten groeien tijdens de incubatie. Dit was niet het geval bij de onverwarmde LIG-filters.
Het team suggereert dat de mogelijkheid om zelf te steriliseren LIG-filters een langere levensduur zou kunnen geven, zodat gebruikers ze niet zo vaak hoeven te vervangen als de meer conventionele luchtfilters.
Prof. Tour voorziet ook het gebruik van LIG-filters in commerciële vliegtuigen.
"De wereld heeft lang een aanpak nodig gehad om de overdracht van ziekteverwekkers en hun verwante schadelijke producten via de lucht te verminderen."
Prof. James M. Tour
