يحبس فلتر الهواء الجرافين البكتيريا ويقتلها
طور العلماء مرشحًا معقمًا للجرافين يلتقط الميكروبات ومنتجاتها الضارة من الهواء ويدمرها. إنهم يتصورون أن يكون الجهاز مفيدًا في المستشفيات وأماكن الرعاية الصحية الأخرى.
كل عام ، يصاب حوالي 1 من كل 25 مريضًا في الولايات المتحدة بعدوى واحدة على الأقل بسبب الرعاية في المستشفى ، وفقًا لمراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC).
ورقة حديثة في المجلة ACS نانو يصف مرشح الجرافين الذاتي التعقيم وكيفية أدائه في الاختبارات.
الجهاز هو من بنات أفكار مؤلف الدراسة جيمس إم تور ، دكتوراه ، وفريقه في جامعة رايس في هيوستن تكساس ، حيث يشغل تور مناصب الأستاذية في علوم المواد والهندسة النانوية ، وكذلك الكيمياء وعلوم الكمبيوتر.
يقول البروفيسور تور: "يصاب الكثير من المرضى بالبكتيريا ومنتجاتها الأيضية ، والتي ، على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي إلى تعفن الدم أثناء وجودهم في المستشفى".
يشتمل المرشح على تقنية الجرافين المستحثة بالليزر (LIG). الجرافين هو شكل من أشكال الكربون يكون رقيقًا للغاية وقويًا للغاية وقادرًا على توصيل الكهرباء.
يحتوي الجرافين على العديد من التطبيقات ، والتي ، بالإضافة إلى الطب ، يمكن أن تتراوح من الإلكترونيات الرقمية إلى هندسة الطيران.
فلتر هواء الجرافين ذاتي التعقيم
LIG عبارة عن رغوة غرافين مسامية تتشكل عندما يقوم قاطع ليزر صناعي بتسخين سطح لوح بوليميد ، وهو بوليمر شائع عالي القوة.
منذ أن اكتشف البروفيسور تور وفريقه عملية صنع LIG في عام 2014 ، أدى ذلك إلى ظهور العديد من التطبيقات التي تتراوح من الإلكترونيات إلى الفن.
وجد الفريق أنه يمكنهم تكييف LIG لاستخدامه كمرشح عن طريق تشكيل الجرافين على جانبي البوليميد. ينتج عن ذلك شبكة ثلاثية الأبعاد رقيقة - لكنها قوية - من البوليمر الذي يعزز رغوة الجرافين.
في النهاية ، وجدوا أن بإمكانهم بناء مرشح يضم غابات كثيفة من ألياف الجرافين الموصلة على أسِرَّة من الصفائح المشذرة.
نظرًا لهيكله ، يمكن لمرشح الرغوة التقاط الكائنات الحية الدقيقة ، مثل البكتيريا والفطريات ، جنبًا إلى جنب مع الملوثات الأخرى المحمولة في الهواء ، مثل الجراثيم والبريونات ومختلف المركبات السامة الموجودة في الهباء الجوي والقطرات والجزيئات.
يحبس المرشح ويدمر ما يلتقطه عن طريق التسخين الدوري لدرجة حرارة تصل إلى 350 درجة مئوية (660 درجة فهرنهايت) نتيجة مرور الكهرباء عبره. لا يحتاج إلى الكثير من الطاقة للوصول إلى درجة الحرارة هذه ، ولا يستغرق الأمر سوى بضع ثوان حتى يبرد مرة أخرى.
يقضي على الجزيئات الضارة
لاحظ المؤلفون أن درجة الحرارة البالغة 350 درجة مئوية هي درجة حرارة كافية لقتل الكائنات الحية الدقيقة وأي منتجات ثانوية يمكن أن تغذي ميكروبات جديدة ، وكذلك أي "جزيئات يمكن أن تسبب تفاعلات بيولوجية وأمراضًا ضارة".
وأضافوا أن "هذه الجزيئات تشمل البيروجينات والمواد المسببة للحساسية والسموم الخارجية والسموم الداخلية والسموم الفطرية والأحماض النووية والبريونات".
يوضح البروفيسور تور: "نحن بحاجة إلى المزيد من الأساليب ، لمكافحة النقل الجوي ليس فقط للبكتيريا ولكن أيضًا لمنتجاتها النهائية ، والتي يمكن أن تسبب ردود فعل شديدة بين المرضى."
ويضيف: "بعض هذه المنتجات ، مثل السموم الداخلية ، تحتاج إلى التعرض لدرجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية لإبطال مفعولها".
يقترح البروفيسور تور أن تدمير الجزيئات المنتجة للبكتيريا من شأنه أن يقلل بشكل كبير من خطر انتشارها بين المرضى ، مما يؤدي إلى أقصر مدة العلاج في المستشفى وتقليل المرض والوفيات.
يعتقد هو وفريقه أن مرشح LIG الفردي المصمم خصيصًا يمكن أن يحل محل المرشحين اللذين يتعين على المستشفيات حاليًا تثبيتهما في أنظمة التهوية الخاصة بها للامتثال للوائح الفيدرالية.
وصف الباحثون في ورقة دراستهم كيف اختبروا مرشح LIG باستخدام نظام ترشيح هواء فراغ تجاري يعمل عن طريق امتصاص الهواء بمعدل 10 لترات في الدقيقة.
أجروا الاختبار لمدة 90 ساعة دون توقف.أظهرت النتائج أن طريقة التسخين نجحت في تعقيم المرشحات لجميع مسببات الأمراض ومشتقاتها.
مرشح هواء يدوم لفترة أطول
من اختبارات الزراعة ، وجد الفريق أيضًا أن البكتيريا لم تمر عبر مرشح LIG. تضمنت الاختبارات زراعة بكتيريا على غشاء في اتجاه مجرى المرشح.
كما قام الباحثون باحتضان المرشحات المستخدمة لمدة 130 ساعة بعد 90 ساعة من الاستخدام وفحصوها. قارنوا النتائج بنتائج المرشحات المحتضنة التي لم تخضع لأي تسخين.
أظهرت النتائج أن مرشحات LIG المستخدمة ، والتي خضعت لنوبات تسخين متكررة إلى درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، لم تنبت أي بكتيريا مرة أخرى أثناء فترة الحضانة. لم يكن هذا هو الحال مع مرشحات LIG غير المسخنة.
يقترح الفريق أن القدرة على التعقيم الذاتي يمكن أن تمنح مرشحات LIG عمرًا أطول بحيث لا يحتاج المستخدمون إلى استبدالها في كثير من الأحيان مثل مرشحات الهواء الأكثر تقليدية.
يتوقع البروفيسور تور أيضًا استخدام فلاتر LIG في الطائرات التجارية.
"لطالما احتاج العالم إلى نهج ما للتخفيف من انتقال مسببات الأمراض المنقولة جواً ومنتجاتها الضارة ذات الصلة."
البروفيسور جيمس م. تور
