Le filtre à air en graphène emprisonne et tue les bactéries
Les scientifiques ont mis au point un filtre stérilisant en graphène qui capture les microbes et leurs produits nocifs de l'air et les détruit. Ils envisagent que l'appareil soit utile dans les hôpitaux et autres établissements de soins de santé.
Chaque année, environ 1 patient sur 25 aux États-Unis contractent au moins une infection en raison de soins hospitaliers, selon les Centers for Disease Control and Prevention (CDC).
Un article récent dans la revue ACS Nano décrit le filtre en graphène auto-stérilisant et ses performances lors des tests.
L'appareil est le fruit de l'étude de l'auteur principal James M. Tour, Ph.D., et de son équipe à l'Université Rice de Houston, au Texas, où Tour détient des professeurs de science des matériaux et de nano-ingénierie, ainsi que de chimie et d'informatique.
«Tant de patients sont infectés par des bactéries et leurs produits métaboliques, ce qui, par exemple, peut entraîner une septicémie à l'hôpital», explique le professeur Tour.
Le filtre intègre la technologie du graphène induit par laser (LIG). Le graphène est une forme de carbone extrêmement fine, très résistante et capable de conduire l'électricité.
Le graphène a de nombreuses applications qui, en plus de la médecine, peuvent aller de l'électronique numérique à l'ingénierie aérospatiale.
Filtre à air en graphène auto-stérilisant
Le LIG est une mousse de graphène poreuse qui se forme lorsqu'un outil de découpe laser industriel chauffe la surface d'une feuille de polyimide, un polymère commun à haute résistance.
Depuis que le professeur Tour et son équipe ont découvert le processus de fabrication du LIG en 2014, il a donné lieu à de nombreuses applications allant de l'électronique à l'art.
L'équipe a découvert qu'ils pouvaient adapter le LIG pour l'utiliser comme filtre en formant du graphène des deux côtés du polyimide. Cela produit un réseau 3D mince - mais solide - du polymère qui renforce la mousse de graphène.
Finalement, ils ont découvert qu'ils pouvaient construire un filtre comprenant d'épaisses forêts de fibres de graphène conductrices sur des lits de feuilles intercalées.
En raison de sa structure, le filtre en mousse peut capturer des micro-organismes, tels que des bactéries et des champignons, ainsi que d'autres contaminants en suspension dans l'air, tels que des spores, des prions et divers composés toxiques présents dans les aérosols, les gouttelettes et les particules.
Le filtre emprisonne et détruit ce qu'il capture en chauffant périodiquement jusqu'à une température de 350 ° C (660 ° F) en raison de l'électricité qui le traverse. Il n'a pas besoin de beaucoup d'énergie pour atteindre cette température et il ne faut que quelques secondes pour se refroidir à nouveau.
Détruit les molécules nocives
La température de 350 ° C est suffisamment chaude pour tuer les micro-organismes et tous les sous-produits qui pourraient nourrir de nouveaux microbes, ainsi que toutes «molécules susceptibles de provoquer des réactions biologiques indésirables et des maladies», notent les auteurs.
«Ces molécules comprennent les pyrogènes, les allergènes, les exotoxines, les endotoxines, les mycotoxines, les acides nucléiques et les prions», ajoutent-ils.
«Nous avons besoin de plus de méthodes», explique le professeur Tour, «pour lutter contre le transfert aérien non seulement des bactéries, mais aussi de leurs produits en aval, qui peuvent provoquer des réactions graves chez les patients.
«Certains de ces produits, comme les endotoxines, doivent être exposés à des températures de 300 ° C pour les désactiver», ajoute-t-il.
Le professeur Tour suggère que la destruction de molécules produisant des bactéries réduirait considérablement le risque de propagation de celles-ci parmi les patients, ce qui entraînerait des hospitalisations plus courtes, moins de maladies et moins de décès.
Lui et son équipe croient qu'un seul filtre LIG sur mesure pourrait remplacer les deux filtres que les hôpitaux doivent actuellement installer dans leurs systèmes de ventilation pour se conformer à la réglementation fédérale.
Dans leur article d'étude, les chercheurs décrivent comment ils ont testé le filtre LIG en utilisant un système de filtration d'air sous vide commercial qui fonctionne en aspirant de l'air à un débit de 10 litres par minute.
Ils ont effectué le test pendant 90 heures sans s'arrêter.Les résultats ont montré que la méthode de chauffage a réussi à stériliser les filtres de tous les agents pathogènes et de leurs sous-produits.
Filtre à air potentiellement plus durable
À partir de tests de culture, l'équipe a également constaté que les bactéries ne passaient pas à travers le filtre LIG. Les tests impliquaient la culture de bactéries sur une membrane en aval du filtre.
Les chercheurs ont également incubé des filtres usagés pendant 130 heures après les 90 heures d'utilisation et les ont examinés. Ils ont comparé les résultats avec ceux de filtres incubés n'ayant subi aucun chauffage.
Les résultats ont montré que les filtres LIG utilisés, qui avaient subi des périodes répétées de chauffage à des températures supérieures à 300 ° C, n'avaient pas repoussé de bactéries pendant l'incubation. Ce n'était pas le cas avec les filtres LIG non chauffés.
L'équipe suggère que la capacité d'auto-stérilisation pourrait prolonger la durée de vie des filtres LIG, de sorte que les utilisateurs n'auraient pas besoin de les remplacer aussi souvent que les filtres à air plus conventionnels.
Le professeur Tour prévoit également une utilisation des filtres LIG dans les avions commerciaux.
«Le monde a depuis longtemps besoin d'une approche pour atténuer le transfert aérien d'agents pathogènes et de leurs produits délétères associés.»
Professeur James M. Tour
