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Il filtro dell'aria in grafene intrappola e uccide i batteri

Gli scienziati hanno sviluppato un filtro sterilizzante al grafene che cattura i microbi e i loro prodotti dannosi dall’aria e li distrugge. Prevedono che il dispositivo sia utile negli ospedali e in altri contesti sanitari.

Ogni anno, circa 1 su 25 pazienti negli Stati Uniti acquisisce almeno un’infezione a causa di cure ospedaliere, secondo i Centers for Disease Control and Prevention (CDC).

Un recente articolo sulla rivista ACS Nano descrive il filtro al grafene auto-sterilizzante e come è stato eseguito nei test.

Il dispositivo è stato ideato dall’autore senior dello studio James M. Tour, Ph.D., e dal suo team presso la Rice University di Houston, TX, dove Tour ha professioni di scienze dei materiali e nanoingegneria, nonché chimica e informatica.

“Così tanti pazienti vengono infettati dai batteri e dai loro prodotti metabolici, che, ad esempio, possono provocare sepsi mentre sono in ospedale”, afferma il Prof. Tour.

Il filtro incorpora la tecnologia del grafene indotta dal laser (LIG). Il grafene è una forma di carbonio estremamente sottile, molto forte e in grado di condurre l’elettricità.

Il grafene ha molte applicazioni che, oltre alla medicina, possono spaziare dall’elettronica digitale all’ingegneria aerospaziale.

Filtro dell’aria in grafene auto sterilizzante

LIG è una schiuma di grafene porosa che si forma quando un laser cutter industriale riscalda la superficie di un foglio di poliimmide, un comune polimero ad alta resistenza.

Da quando il Prof. Tour e il suo team hanno scoperto il processo per produrre LIG nel 2014, ha dato vita a molte applicazioni che vanno dall’elettronica all’arte.

Il team ha scoperto che potevano adattare LIG per l’uso come filtro formando grafene su entrambi i lati della poliimmide. Questo produce un reticolo 3D sottile ma forte del polimero che rinforza la schiuma di grafene.

Alla fine, hanno scoperto che potevano costruire un filtro comprendente fitte foreste di fibre di grafene conduttive su letti di fogli interfogliati.

A causa della sua struttura, il filtro in schiuma può catturare microrganismi, come batteri e funghi, insieme ad altri contaminanti presenti nell’aria, come spore, prioni e vari composti tossici presenti in aerosol, goccioline e particelle.

Il filtro intrappola e distrugge ciò che cattura riscaldando periodicamente fino a una temperatura di 350 ° C (660 ° F) a seguito del passaggio dell’elettricità. Non ha bisogno di molta energia per raggiungere questa temperatura e bastano pochi secondi per raffreddarsi di nuovo.

Distrugge molecole dannose

La temperatura di 350 ° C è abbastanza calda da uccidere i microrganismi e tutti i sottoprodotti che potrebbero alimentare nuovi microbi, nonché qualsiasi “molecola che può causare reazioni e malattie biologiche avverse”, osservano gli autori.

“Queste molecole includono pirogeni, allergeni, esotossine, endotossine, micotossine, acidi nucleici e prioni”, aggiungono.

“Abbiamo bisogno di più metodi”, spiega il Prof. Tour, “per combattere il trasferimento aereo non solo dei batteri ma anche dei loro prodotti a valle, che possono causare gravi reazioni tra i pazienti”.

“Alcuni di questi prodotti, come le endotossine, devono essere esposti a temperature di 300 ° C per disattivarli”, aggiunge.

Il Prof. Tour suggerisce che la distruzione di molecole che producono batteri ridurrebbe significativamente il rischio che si diffondano tra i pazienti, con conseguenti ricoveri più brevi, meno malattie e meno morti.

Lui e il suo team ritengono che un singolo filtro LIG personalizzato potrebbe sostituire i due filtri che gli ospedali devono attualmente installare nei loro sistemi di ventilazione per conformarsi alle normative federali.

Nel loro documento di studio, i ricercatori descrivono come hanno testato il filtro LIG usando un sistema commerciale di filtrazione dell’aria sotto vuoto che funziona aspirando aria ad una velocità di 10 litri al minuto.

Hanno eseguito il test per 90 ore senza fermarsi. I risultati hanno mostrato che il metodo di riscaldamento è riuscito a sterilizzare i filtri di tutti i patogeni e i loro sottoprodotti.

Filtro dell’aria potenzialmente più duraturo

Dai test di coltura, il team ha anche scoperto che i batteri non passavano attraverso il filtro LIG. I test hanno coinvolto la coltura di batteri su una membrana a valle del filtro.

I ricercatori hanno anche incubato i filtri usati per 130 ore dopo le 90 ore di utilizzo e li hanno esaminati. Hanno confrontato i risultati con quelli dei filtri incubati che non avevano subito alcun riscaldamento.

I risultati hanno mostrato che i filtri LIG usati, che avevano subito ripetuti attacchi di riscaldamento a temperature superiori a 300 ° C, non avevano fatto ricrescere alcun batterio durante l’incubazione. Questo non era il caso dei filtri LIG non riscaldati.

Il team suggerisce che la capacità di auto-sterilizzare potrebbe prolungare la durata dei filtri LIG, in modo che gli utenti non debbano sostituirli con la stessa frequenza dei filtri dell’aria più convenzionali.

Il Prof. Tour prevede anche un utilizzo per i filtri LIG negli aerei commerciali.

“Il mondo ha da tempo bisogno di un approccio per mitigare il trasferimento aereo di agenti patogeni e dei relativi prodotti deleteri”.

Prof. James M. Tour

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