Bakterier fanget - og afsluttet - af grafenfilter

Luftbårne bakterier kan se, hvad der ligner et behageligt shag tæppe at slå sig ned på. Men det er en fælde.

Forskere fra Rice University har transformeret deres laserinducerede grafen (LIG) til selvsteriliserende filtre, der griber patogener ud af luften og dræber dem med små strømimpulser.

Det fleksible filter udviklet af Rice lab af kemiker James Tour kan være af særlig interesse for hospitaler. Ifølge Centers for Disease Control and Prevention, patienter har en 1-i-31 chance for at få en potentielt antibiotika-resistent infektion under indlæggelse.

Enheden beskrevet i American Chemical Society journal ACS Nano fanger bakterier, svampe, sporer, prioner, endotoksiner og andre biologiske kontaminanter båret af dråber, aerosoler og partikler.

Filteret forhindrer derefter mikroberne og andre forurenende stoffer i at sprede sig ved periodisk at varme op til 350 grader Celsius (662 grader Fahrenheit), nok til at udslette patogener og deres giftige biprodukter. Filteret kræver lidt strøm, og opvarmes og afkøles inden for få sekunder.

LIG er et ledende skum af ren, atomisk tynde kulstofplader syntetiseret gennem opvarmning af overfladen af ​​en almindelig polyimidplade med en industriel laserskærer. Processen opdaget af Tour's lab i 2014 har ført til en række applikationer til elektronik, triboelektriske nanogeneratorer, kompositter, elektrokatalyse og endda kunst.

At tilpasse det til brug som et filter betød laserbyggende grafen på begge sider af polyimidet, efterlade en bøde, tredimensionelt gitter af polymeren for at forstærke grafenskummet. Laserbygning ved forskellige temperaturer resulterede i en tyk skov af grafenfibre med mindre, indbyrdes forbundne plader nedenunder.

Som al ren grafen, skummet leder elektricitet. Når elektrificeret, Joule-opvarmning hæver filterets temperatur til over 300 C, nok til ikke kun at dræbe fangede patogener, men også til at nedbryde giftige biprodukter, der kan fodre nye mikroorganismer og aktivere det menneskelige immunsystem.

Forskerne foreslog en enkelt, specialtilpasset LIG-filter kunne være effektivt nok til at erstatte de to filtersenge, der i øjeblikket kræves af føderale standarder for hospitalsventilationssystemer.

"Så mange patienter bliver inficeret af bakterier og deres stofskifteprodukter, som for eksempel kan resultere i sepsis på hospitalet, " sagde Tour. "Vi har brug for flere metoder til at bekæmpe den luftbårne overførsel af ikke kun bakterier, men også deres nedstrømsprodukter, som kan forårsage alvorlige reaktioner blandt patienter.

"Nogle af disse produkter, som endotoksiner, skal udsættes for temperaturer på 300 grader Celsius for at deaktivere dem, "et formål tjent med LIG-filteret, han sagde. "Dette kan betydeligt mindske overførslen af ​​bakteriegenererede molekyler mellem patienter, og derved sænke de endelige omkostninger ved patientophold og mindske sygdom og død fra disse patogener."

Laboratoriet testede LIG-filtre med et kommercielt vakuumfiltreringssystem, trække luft igennem med en hastighed på 10 liter i minuttet i 90 timer, og fandt ud af, at Joule opvarmning med succes desinficerede filtrene for alle patogener og biprodukter. Inkubation af brugte filtre i yderligere 130 timer afslørede ingen efterfølgende bakterievækst på de opvarmede enheder, i modsætning til kontrol LIG filtre, der ikke var blevet opvarmet.

"Bakteriedyrkningseksperimenter udført på en membran nedstrøms for LIG-filteret indikerede, at bakterier ikke er i stand til at gennemtrænge LIG-filteret, "sagde Rice sophomore John Li, co-lead forfatter af papiret sammen med postdoc-forsker Michael Stanford.

Stanford bemærkede, at steriliseringsfunktionen "kan reducere frekvensen, hvormed LIG-filtre skal udskiftes i forhold til traditionelle filtre."

Tour foreslog LIG luftfiltre også kunne finde vej til kommercielle fly.

"Det er blevet forudsagt, at i år 2050, 10 millioner mennesker om året vil dø af medicinresistente bakterier, " sagde han. "Verden har længe haft brug for en tilgang til at afbøde den luftbårne overførsel af patogener og deres relaterede skadelige produkter. Dette LIG luftfilter kan være en vigtig brik i det forsvar. "