Бактерии, переносимые по воздуху, могут видеть то, что выглядит как удобный ворсистый ковер, на котором они могут поселиться. Но это ловушка.
Ученые Университета Райса превратили свой лазерно-индуцированный графен (ЛИГ) в самостерилизующиеся фильтры, которые улавливают патогены из воздуха и убивают их небольшими электрическими импульсами.
Гибкий фильтр, разработанный химиком Джеймсом Туром в лаборатории Райса, может представлять особый интерес для больниц. По данным Центров по контролю и профилактике заболеваний, у пациентов есть шанс 1 из 31 заразиться потенциально устойчивой к антибиотикам инфекцией во время госпитализации.
Устройство, описанное в журнале Американского химического общества ACS Nano, улавливает бактерии, грибки, споры, прионы, эндотоксины и другие биологические загрязнения, переносимые каплями, аэрозолями и твердыми частицами.
Фильтр предотвращает размножение микробов и других загрязняющих веществ, периодически нагревая до 350 градусов по Цельсию (662 градуса по Фаренгейту), что достаточно для уничтожения патогенов и их токсичных побочных продуктов. Фильтр требует мало энергии, нагревается и охлаждается за секунды.
LIG представляет собой токопроводящую пену из чистых, атомарно тонких углеродных листов, синтезированных путем нагревания поверхности обычного полиимидного листа с помощью промышленного лазерного резака. Процесс, открытый лабораторией Тура в 2014 году, нашел применение в электронике, трибоэлектрических наногенераторах, электрокатализе, фильтрации воды и даже в искусстве.
Адаптация его для использования в качестве фильтра означала лазерное встраивание графена в обе стороны полиимида, оставляя тонкую трехмерную решетку полимера для усиления графеновой пены. Лазерное построение при разных температурах привело к образованию густого леса графеновых волокон с более мелкими взаимосвязанными листами под ними.
Как и весь чистый графен, пена проводит электричество. При электрификации джоулев нагрев поднимает температуру фильтра выше 300 C, что достаточно не только для уничтожения захваченных патогенов, но и для разложения токсичных побочных продуктов, которые могут питать новые микроорганизмы и активировать иммунную систему человека..
Исследователи предположили, что один индивидуально подобранный фильтр LIG может быть достаточно эффективным, чтобы заменить два фильтрующих слоя, требуемых в настоящее время федеральными стандартами для больничных систем вентиляции.
«Так много пациентов заражаются бактериями и продуктами их метаболизма, что, например, может привести к сепсису в больнице», - сказал Тур.«Нам нужно больше методов для борьбы с воздушно-капельным переносом не только бактерий, но и продуктов их жизнедеятельности, которые могут вызывать тяжелые реакции у пациентов.
«Некоторые из этих продуктов, такие как эндотоксины, должны быть подвергнуты воздействию температуры 300 градусов по Цельсию, чтобы деактивировать их», - сказал он. «Это может значительно уменьшить передачу молекул, генерируемых бактериями, между пациентами и тем самым снизить конечную стоимость пребывания пациентов и уменьшить заболеваемость и смертность от этих патогенов».
Лаборатория протестировала фильтры LIG с коммерческой системой вакуумной фильтрации, пропускающей воздух со скоростью 10 литров в минуту в течение 90 часов, и обнаружила, что нагрев Джоуля успешно дезинфицирует фильтры от всех патогенов и побочных продуктов. Инкубация использованных фильтров в течение дополнительных 130 часов не выявила последующего роста бактерий на нагретых устройствах, в отличие от контрольных LIG-фильтров, которые не подвергались нагреву.
«Эксперименты по культивированию бактерий, проведенные на мембране ниже по потоку от фильтра LIG, показали, что бактерии не могут проникнуть через фильтр LIG», - сказал второкурсник Райс Джон Ли, соавтор статьи вместе с постдокторантом Майклом Стэнфордом.
Стэнфорд отметил, что функция стерилизации «может снизить частоту замены фильтров LIG по сравнению с традиционными фильтрами».
Тур предположил, что воздушные фильтры LIG также могут использоваться в коммерческих самолетах.
«Было предсказано, что к 2050 году 10 миллионов человек в год будут умирать от устойчивых к лекарствам бактерий», - сказал он. «Мир давно нуждался в каком-то подходе к уменьшению переноса патогенов и связанных с ними вредных продуктов по воздуху. Этот воздушный фильтр LIG может стать важной частью этой защиты».