Bacteriën in de lucht kunnen zien wat lijkt op een comfortabel hoogpolig tapijt om zich op te vestigen. Maar het is een val.

Wetenschappers van Rice University hebben hun laser-geïnduceerde grafeen (LIG) omgezet in zelfsteriliserende filters die ziekteverwekkers uit de lucht halen en ze doden met kleine stroomstootjes.

Het flexibele filter dat is ontwikkeld door het Rice-lab van chemicus James Tour is wellicht interessant voor ziekenhuizen. Volgens de Centers for Disease Control and Prevention, patiënten hebben een kans van 1 op 31 om een ​​potentieel antibioticaresistente infectie op te lopen tijdens een ziekenhuisopname.

Het apparaat beschreven in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano vangt bacteriën op, schimmels, sporen, prionen, endotoxinen en andere biologische verontreinigingen die door druppeltjes worden gedragen, aerosolen en fijnstof.

Het filter voorkomt vervolgens dat de microben en andere verontreinigingen zich vermenigvuldigen door periodiek te verwarmen tot 350 graden Celsius (662 graden Fahrenheit), genoeg om ziekteverwekkers en hun giftige bijproducten uit te roeien. Het filter heeft weinig stroom nodig, en verwarmt en koelt binnen enkele seconden.

LIG is een geleidend schuim van pure, atomair dunne koolstofplaten gesynthetiseerd door het oppervlak van een gewone polyimideplaat te verwarmen met een industriële lasersnijder. Het proces dat Tour's lab in 2014 ontdekte, heeft geleid tot een reeks toepassingen voor elektronica, tribo-elektrische nanogeneratoren, composieten, elektrokatalyse en zelfs kunst.

Door het aan te passen voor gebruik als filter, moest grafeen met laser worden opgebouwd in beide zijden van het polyimide, een boete achterlaten, driedimensionaal rooster van het polymeer om het grafeenschuim te versterken. Laserbouw bij verschillende temperaturen resulteerde in een dicht woud van grafeenvezels met kleinere, onderling verbonden bladen eronder.

Zoals alle pure grafeen, het schuim geleidt elektriciteit. Wanneer geëlektrificeerd, Joule-verwarming verhoogt de temperatuur van het filter tot boven 300 C, genoeg om niet alleen opgesloten ziekteverwekkers te doden, maar ook om giftige bijproducten af ​​te breken die nieuwe micro-organismen kunnen voeden en het menselijke immuunsysteem kunnen activeren.

De onderzoekers suggereerden een enkele, op maat gemaakt LIG-filter zou efficiënt genoeg kunnen zijn om de twee filterbedden te vervangen die momenteel vereist zijn door federale normen voor ziekenhuisventilatiesystemen.

"Zoveel patiënten raken besmet door bacteriën en hun stofwisselingsproducten, wat bijvoorbeeld kan leiden tot sepsis in het ziekenhuis, " zei Tour. "We hebben meer methoden nodig om de overdracht via de lucht van niet alleen bacteriën, maar ook hun downstream-producten te bestrijden, die ernstige reacties bij patiënten kunnen veroorzaken.

"Sommige van deze producten, zoals endotoxinen, moeten worden blootgesteld aan temperaturen van 300 graden Celsius om ze te deactiveren, " een doel dat wordt gediend door het LIG-filter, hij zei. "Dit zou de overdracht van door bacteriën gegenereerde moleculen tussen patiënten aanzienlijk kunnen verminderen, en daardoor de uiteindelijke kosten van het verblijf van patiënten te verlagen en ziekte en sterfte door deze ziekteverwekkers te verminderen."

Het laboratorium heeft LIG-filters getest met een commercieel vacuümfiltratiesysteem, lucht aanzuigen met een snelheid van 10 liter per minuut gedurende 90 uur, en ontdekte dat Joule-verwarming met succes de filters van alle ziekteverwekkers en bijproducten reinigde. Door gebruikte filters nog eens 130 uur te incuberen, bleek er geen verdere bacteriegroei op de verwarmde eenheden, in tegenstelling tot controle LIG-filters die niet waren verwarmd.

"Bacteriënkweekexperimenten uitgevoerd op een membraan stroomafwaarts van het LIG-filter gaven aan dat bacteriën het LIG-filter niet kunnen doordringen, " zei Rice tweedejaars John Li, co-hoofdauteur van het artikel met postdoctoraal onderzoeker Michael Stanford.

Stanford merkte op dat de sterilisatiefunctie "de frequentie kan verminderen waarmee LIG-filters moeten worden vervangen in vergelijking met traditionele filters."

Tour suggereerde dat LIG-luchtfilters ook hun weg zouden kunnen vinden in commerciële vliegtuigen.

"Er is voorspeld dat tegen het jaar 2050, 10 miljoen mensen per jaar zullen sterven aan resistente bacteriën, " zei hij. "De wereld heeft lang één of andere benadering nodig gehad om de overdracht door de lucht van ziekteverwekkers en hun verwante schadelijke producten te verminderen. Dit LIG-luchtfilter zou een belangrijk stuk in die verdediging kunnen zijn."