Der Graphen-Luftfilter fängt Bakterien ein und tötet sie ab
Wissenschaftler haben einen sterilisierenden Graphenfilter entwickelt, der Mikroben und ihre schädlichen Produkte aus der Luft einfängt und zerstört. Sie sehen vor, dass das Gerät in Krankenhäusern und anderen Einrichtungen des Gesundheitswesens nützlich ist.
Laut den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) erkrankt jedes Jahr etwa 1 von 25 Patienten in den USA aufgrund von Krankenhausbehandlungen an mindestens einer Infektion.
Ein kürzlich veröffentlichter Artikel in der Zeitschrift ACS Nano beschreibt den selbststerilisierenden Graphenfilter und seine Leistung in Tests.
Das Gerät ist eine Idee des leitenden Studienautors James M. Tour, Ph.D., und seines Teams an der Rice University in Houston, TX, wo Tour Professuren in Materialwissenschaften und Nanoengineering sowie Chemie und Informatik innehat.
„So viele Patienten infizieren sich mit Bakterien und ihren Stoffwechselprodukten, was beispielsweise im Krankenhaus zu einer Sepsis führen kann“, sagt Prof. Tour.
Der Filter verfügt über eine laserinduzierte Graphen (LIG) -Technologie. Graphen ist eine Form von Kohlenstoff, die extrem dünn, sehr stark und in der Lage ist, Elektrizität zu leiten.
Graphen hat viele Anwendungen, die neben der Medizin von der digitalen Elektronik bis zur Luft- und Raumfahrttechnik reichen können.
Selbststerilisierender Graphen-Luftfilter
LIG ist ein poröser Graphenschaum, der entsteht, wenn ein industrieller Laserschneider die Oberfläche einer Schicht aus Polyimid, einem üblichen hochfesten Polymer, erwärmt.
Seit Prof. Tour und sein Team 2014 das Verfahren zur Herstellung von LIG entdeckt haben, sind viele Anwendungen entstanden, die von Elektronik bis Kunst reichen.
Das Team stellte fest, dass sie LIG für die Verwendung als Filter anpassen können, indem sie auf beiden Seiten des Polyimids Graphen bilden. Dies erzeugt ein dünnes, aber starkes 3D-Gitter des Polymers, das den Graphenschaum verstärkt.
Schließlich fanden sie heraus, dass sie einen Filter aus dichten Wäldern aus leitfähigen Graphenfasern auf Betten aus verschachtelten Schichten bauen konnten.
Aufgrund seiner Struktur kann der Schaumfilter Mikroorganismen wie Bakterien und Pilze sowie andere in der Luft befindliche Verunreinigungen wie Sporen, Prionen und verschiedene toxische Verbindungen, die in Aerosolen, Tröpfchen und Partikeln vorhanden sind, einfangen.
Der Filter fängt ein und zerstört das, was er erfasst, indem er sich aufgrund des durch ihn fließenden Stroms regelmäßig auf eine Temperatur von 350 ° C (660 ° F) erwärmt. Es braucht nicht viel Strom, um diese Temperatur zu erreichen, und es dauert nur ein paar Sekunden, um wieder abzukühlen.
Zerstört schädliche Moleküle
Die Temperatur von 350 ° C ist heiß genug, um Mikroorganismen und Nebenprodukte abzutöten, die neue Mikroben ernähren könnten, sowie alle „Moleküle, die schädliche biologische Reaktionen und Krankheiten verursachen können“, so die Autoren.
"Diese Moleküle umfassen Pyrogene, Allergene, Exotoxine, Endotoxine, Mykotoxine, Nukleinsäuren und Prionen", fügen sie hinzu.
"Wir brauchen mehr Methoden", erklärt Prof. Tour, "um den Transfer nicht nur von Bakterien, sondern auch von nachgeschalteten Produkten in die Luft zu bekämpfen, die bei Patienten schwere Reaktionen hervorrufen können."
„Einige dieser Produkte, wie Endotoxine, müssen Temperaturen von 300 ° C ausgesetzt werden, um sie zu deaktivieren“, fügt er hinzu.
Prof. Tour schlägt vor, dass die Zerstörung von Bakterien produzierenden Molekülen das Risiko ihrer Ausbreitung unter Patienten erheblich verringern würde, was zu kürzeren Krankenhausaufenthalten, weniger Krankheit und weniger Todesfällen führen würde.
Er und sein Team glauben, dass ein einziger maßgeschneiderter LIG-Filter die beiden Filter ersetzen könnte, die Krankenhäuser derzeit in ihre Lüftungssysteme einbauen müssen, um den Bundesvorschriften zu entsprechen.
In ihrer Studienarbeit beschreiben die Forscher, wie sie den LIG-Filter mit einem handelsüblichen Vakuum-Luftfiltersystem getestet haben, bei dem Luft mit einer Geschwindigkeit von 10 Litern pro Minute angesaugt wird.
Sie führten den Test 90 Stunden lang durch, ohne anzuhalten.Die Ergebnisse zeigten, dass es mit der Erhitzungsmethode gelang, die Filter aller Krankheitserreger und ihrer Nebenprodukte zu sterilisieren.
Möglicherweise länger anhaltender Luftfilter
Bei Kultivierungstests stellte das Team außerdem fest, dass Bakterien den LIG-Filter nicht passierten. Die Tests umfassten die Kultivierung von Bakterien auf einer Membran stromabwärts des Filters.
Die Forscher inkubierten gebrauchte Filter nach 90-stündiger Anwendung 130 Stunden lang und untersuchten sie. Sie verglichen die Ergebnisse mit denen von inkubierten Filtern, die keiner Erwärmung unterzogen worden waren.
Die Ergebnisse zeigten, dass die verwendeten LIG-Filter, die wiederholt auf Temperaturen über 300 ° C erhitzt worden waren, während der Inkubation keine Bakterien nachgewachsen waren. Dies war bei den unbeheizten LIG-Filtern nicht der Fall.
Das Team schlägt vor, dass die Fähigkeit zur Selbststerilisation LIG-Filtern eine längere Lebensdauer verleihen könnte, sodass Benutzer sie nicht so oft ersetzen müssten wie herkömmliche Luftfilter.
Prof. Tour sieht auch die Verwendung von LIG-Filtern in Verkehrsflugzeugen vor.
"Die Welt braucht seit langem einen Ansatz, um den Transfer von Krankheitserregern und den damit verbundenen schädlichen Produkten in die Luft zu mildern."
Prof. James M. Tour
