Naturens værktøjssæt til at dræbe vira og bakterier

De sprang ud af toiletbobler, svømme over drikkevandet, spredes gennem hoste. Små infektiøse mikrober - fra virussen, der forårsager COVID-19, til vandbårne bakterier - dræber millioner af mennesker rundt om i verden hvert år. Nu studerer ingeniører, hvordan zinkoxidoverflader og naturlig hydrodynamisk kærning har kraften til at dræbe patogener først.

"Bakteriel forurening af almindelige overflader og af drikkevand har traditionelt været de vigtigste smitteveje til overførsel af alvorlige sygdomme, fører ofte til dødelighed, " sagde Abinash Tripathy, en forsker i mekanik og procesteknik ved ETH Zürich. "Vores mål var at designe en overflade, der kan løse begge problemer."

Hans gruppe nedsænkede rent zink i varmt vand i 24 timer, som dannede en zinkoxidoverflade dækket af skarpe nanonåle. Så introducerede de E. coli-bakterier.

Overfladen dræber næsten alle bakterier dyrket oven på den meget effektivt. Og den største overraskelse? Når du sidder i forurenet vand, overfladen dræber alle vandbårne E. coli inden for tre timer – selv bakterier, den ikke rørte.

Denne vanddesinfektion på afstand virker, fordi processen genererer en reaktiv oxygenart, som beskadiger bakteriers cellevægge. Gruppen fra ETH Zürich, IIT Ropar Indien, og Empa, Schweiz, præsenterede deres første resultater på det 73. årlige møde i American Physical Society's Division of Fluid Dynamics.

I de sydøstasiatiske og afrikanske lande, hvor der er mangel på rent drikkevand, nuværende solvandsdesinfektionsmetoder tager op til 48 timer og kræver en minimumsintensitet af sollys. Den nye zinkoxidoverflade fremskynder desinfektionsprocessen og behøver ikke lys.

"Denne overflade kan bruges til at desinficere vand i fjerntliggende områder til en meget lav pris, " sagde Tripathy. "Fabrikationsteknikken er miljøvenlig, enkel, og økonomisk."

Overflade- og vandbårne patogener er ikke de eneste dræbere. I takt med at COVID-19-pandemien er blevet forstærket, luftbårne vira og bakterier udgør en alvorlig global udfordring for desinfektion.

De selvsamme dråber, der transporterer patogener gennem luften, kan spille en rolle i at ødelægge dem. I de mikrosekunder, som dråber tager at danne, deres væsker omarrangeres hurtigt - hvilket stresser mikroberne indeni.

"Tænk på en spand med en fisk i. Man forestiller sig, at hvis man begynder at kærne væsken i spanden for hurtigt, fisken bliver ikke særlig glad, " sagde Oliver McRae, en maskiningeniør. "Det er en lignende slags ting - om end på meget, meget mindre skala - når du har, sige, et patogen i en dråbe. Til sidst kommer væsken til at agitere for meget til, at den bakterie eller virus kan overleve."

McRae og et team fra Boston University og Centers for Disease Control and Prevention studerede, hvordan hydrodynamisk agitation virker, når miljøbobler producerer dråber. Efter pandemiens begyndelse, de begyndte at modellere dråber svarende til dem, der produceres af lungerne og luftvejene.

Ved at bruge computational fluid dynamics, holdet forudsagde, hvordan agitation virker under aerosoldannelse. De opdagede, at stressfaktorer er meget følsomme over for dråbestørrelse. Hvis dråben skrumper eller vokser med en størrelsesorden, stressfaktorerne ændres med to en halv størrelsesorden.

Forskningen kunne hjælpe med at forklare, hvorfor patogener overlever i nogle dråber og ikke andre.

"Vores fokus har været på at kvantificere, hvad stressorerne er i disse dråber, " sagde McRae. "Forhåbentlig vil dette blive brugt i fremtiden som en del af en større model til at forudsige aerosol-baseret sygdomsoverførsel."