Grafen luftfilter fångar och dödar bakterier
Forskare har utvecklat ett steriliserande grafenfilter som fångar upp mikrober och deras skadliga produkter från luften och förstör dem. De ser för sig att enheten ska vara användbar på sjukhus och andra vårdinställningar.
Varje år förvärvar cirka 1 av 25 patienter i USA minst en infektion på grund av sjukhusvård, enligt Centers for Disease Control and Prevention (CDC).
En ny artikel i tidskriften ACS Nano beskriver det självsteriliserande grafenfiltret och hur det fungerade i tester.
Enheten är tanken på seniorförfattaren James M. Tour, Ph.D., och hans team vid Rice University i Houston TX, där Tour har professor i materialvetenskap och nanoteknik samt kemi och datavetenskap.
"Så många patienter smittas av bakterier och deras metaboliska produkter, vilket till exempel kan leda till sepsis på sjukhuset", säger professor Tour.
Filtret innehåller laser-inducerad grafen (LIG) -teknik. Grafen är en form av kol som är extremt tunn, mycket stark och kan leda elektricitet.
Graphene har många applikationer, som förutom medicin kan sträcka sig från digital elektronik till rymdteknik.
Självsteriliserande grafenluftfilter
LIG är ett poröst grafenskum som bildas när en industriell laserskärare värmer ytan på ett ark av polyimid, en vanlig höghållfast polymer.
Sedan Prof. Tour och hans team upptäckte processen för tillverkning av LIG 2014 har det gett upphov till många applikationer, allt från elektronik till konst.
Teamet fann att de kunde anpassa LIG för användning som ett filter genom att bilda grafen på båda sidor av polyimiden. Detta ger ett tunt - men starkt - 3D-gitter av polymeren som förstärker grafenskummet.
Så småningom fann de att de kunde bygga ett filter med tjocka skogar av ledande grafenfibrer på bäddar av sammanflätade lakan.
På grund av sin struktur kan skumfiltret fånga upp mikroorganismer, såsom bakterier och svampar, tillsammans med andra luftburna föroreningar, såsom sporer, prioner och olika giftiga föreningar som finns i aerosoler, droppar och partiklar.
Filtret fångar upp och förstör vad det fångar upp genom att regelbundet värma upp till en temperatur på 350 ° C (660 ° F) som ett resultat av att elektricitet passerar genom det. Det behöver inte mycket kraft för att nå denna temperatur, och det tar bara några sekunder att svalna igen.
Förstör skadliga molekyler
Temperaturen på 350 ° C är tillräckligt varm för att döda mikroorganismer och eventuella biprodukter som kan mata nya mikrober, liksom alla "molekyler som kan orsaka ogynnsamma biologiska reaktioner och sjukdomar", noterar författarna.
"Dessa molekyler inkluderar pyrogener, allergener, exotoxiner, endotoxiner, mykotoxiner, nukleinsyror och prioner", tillägger de.
"Vi behöver fler metoder", förklarar Prof. Tour, "för att bekämpa luftburet överföring av inte bara bakterier utan också deras nedströmsprodukter, vilket kan orsaka allvarliga reaktioner bland patienter."
"Vissa av dessa produkter, som endotoxiner, måste utsättas för temperaturer på 300 ° C för att avaktivera dem", tillägger han.
Prof. Tour föreslår att förstörelse av bakterieproducerande molekyler avsevärt skulle minska risken för att de sprids bland patienter, vilket resulterar i kortare sjukhusvistelser, mindre sjukdom och färre dödsfall.
Han och hans team tror att ett enda specialbyggt LIG-filter kan ersätta de två filter som sjukhus för närvarande måste installera i sina ventilationssystem för att följa federala bestämmelser.
I sitt studiearbete beskriver forskarna hur de testade LIG-filtret med hjälp av ett kommersiellt vakuumluftfiltreringssystem som fungerar genom att suga luft med en hastighet av 10 liter per minut.
De körde testet i 90 timmar utan att stoppa.Resultaten visade att uppvärmningsmetoden lyckades sterilisera filtren för alla patogener och deras biprodukter.
Potentiellt längre luftfilter
Från odlingstester fann teamet också att bakterier inte passerade genom LIG-filtret. Testen involverade odling av bakterier på ett membran nedströms filtret.
Forskarna inkuberade också använda filter i 130 timmar efter 90 timmars användning och undersökte dem. De jämförde resultaten med resultaten av inkuberade filter som inte hade genomgått någon uppvärmning.
Resultaten visade att de använda LIG-filtren, som hade genomgått upprepade uppvärmningsperioder till temperaturer över 300 ° C, inte hade återväxt några bakterier under inkubationen. Detta var inte fallet med de ouppvärmda LIG-filtren.
Teamet föreslår att förmågan att självsterilisera kan ge LIG-filter en längre livslängd så att användarna inte behöver byta ut dem så ofta som de mer konventionella luftfiltren.
Prof. Tour förutser också användning av LIG-filter i kommersiella flygplan.
"Världen har länge behövt en strategi för att mildra den luftburna överföringen av patogener och deras relaterade skadliga produkter."
Prof. James M. Tour
