Las bacterias en el aire pueden ver lo que parece una alfombra de pelusa cómoda sobre la cual asentarse. Pero es una trampa.
Los científicos de la Universidad de Rice han transformado su grafeno inducido por láser (LIG) en filtros autoesterilizantes que capturan los patógenos del aire y los matan con pequeños pulsos de electricidad.
El filtro flexible desarrollado por el laboratorio de Rice del químico James Tour puede ser de especial interés para los hospitales. Según los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades, los pacientes tienen una probabilidad de 1 en 31 de adquirir una infección potencialmente resistente a los antibióticos durante la hospitalización.
El dispositivo descrito en la revista ACS Nano de la American Chemical Society captura bacterias, hongos, esporas, priones, endotoxinas y otros contaminantes biológicos transportados por gotitas, aerosoles y partículas.
Luego, el filtro evita que los microbios y otros contaminantes proliferen al calentar periódicamente hasta 350 grados Celsius (662 grados Fahrenheit), lo suficiente como para eliminar los patógenos y sus productos tóxicos. El filtro requiere poca potencia y se calienta y enfría en segundos.
LIG es una espuma conductora de láminas de carbono puras, atómicamente delgadas, sintetizadas mediante el calentamiento de la superficie de una lámina de poliimida común con un cortador láser industrial. El proceso descubierto por el laboratorio de Tour en 2014 ha dado lugar a una gama de aplicaciones para electrónica, nanogeneradores triboeléctricos, compuestos, electrocatálisis e incluso arte.
Adaptarlo para usarlo como filtro significaba construir grafeno con láser en ambos lados de la poliimida, dejando una fina red tridimensional del polímero para reforzar la espuma de grafeno. La construcción con láser a diferentes temperaturas resultó en un espeso bosque de fibras de grafeno con láminas más pequeñas e interconectadas debajo.
Como todo el grafeno puro, la espuma conduce electricidad. Cuando se electrifica, el calentamiento de Joule eleva la temperatura del filtro por encima de los 300 C, lo suficiente como para no solo matar a los patógenos atrapados, sino también para descomponer los subproductos tóxicos que pueden alimentar nuevos microorganismos y activar el sistema inmunológico humano.
Los investigadores sugirieron que un único filtro LIG de ajuste personalizado podría ser lo suficientemente eficiente como para reemplazar los dos lechos de filtro actualmente requeridos por las normas federales para los sistemas de ventilación hospitalarios.
«Muchos pacientes se infectan con bacterias y sus productos metabólicos, que por ejemplo pueden provocar sepsis mientras están en el hospital«, dijo Tour. “Necesitamos más métodos para combatir la transferencia en el aire no solo de bacterias sino también de sus productos posteriores, lo que puede causar reacciones graves entre los pacientes.
«Algunos de estos productos, como las endotoxinas, deben exponerse a temperaturas de 300 grados centígrados para desactivarlos«, dijo el objetivo del filtro LIG. «Esto podría disminuir significativamente la transferencia de moléculas generadas por bacterias entre los pacientes y, por lo tanto, reducir los costos finales de las estadías de los pacientes y disminuir la enfermedad y la muerte por estos patógenos«.
El laboratorio probó los filtros LIG con un sistema comercial de filtración al vacío, extrayendo aire a una velocidad de 10 litros por minuto durante 90 horas, y descubrió que el calentamiento de Joule desinfectaba con éxito los filtros de todos los patógenos y subproductos. La incubación de los filtros usados durante 130 horas adicionales no reveló ningún crecimiento bacteriano posterior en las unidades calentadas, a diferencia de los filtros LIG de control que no se habían calentado.
«Los experimentos de cultivo de bacterias realizados en una membrana aguas abajo del filtro LIG indicaron que las bacterias no pueden penetrar el filtro LIG«, dijo el estudiante de segundo año de Rice, John Li, coautor principal del artículo con el investigador postdoctoral Michael Stanford.
Stanford señaló que la función de esterilización «puede reducir la frecuencia con la que los filtros LIG tendrían que ser reemplazados en comparación con los filtros tradicionales».
Tour sugirió que los filtros de aire LIG también podrían llegar a los aviones comerciales.
«Se ha pronosticado que para el año 2050, 10 millones de personas al año morirán de bacterias resistentes a los medicamentos«, dijo. “El mundo siempre ha necesitado algún enfoque para mitigar la transferencia de patógenos en el aire y sus productos nocivos relacionados. Este filtro de aire LIG podría ser una pieza importante en esa defensa«.
Los coautores del artículo son los estudiantes graduados de Rice Yuda Chen y Emily McHugh; Anton Liopo, visitante académico en Rice y especialista en investigación científica en el Centro de Ciencias de la Salud Texas A&M; y Han Xiao, el joven investigador Norman Hackerman-Welch y profesor asistente de química en Rice. Tour es la Cátedra TT y WF Chao en Química, así como profesor de ciencias de la computación y de ciencia de materiales y nanoingeniería en Rice.
Lea el resumen en https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b05983 .
Siga Rice News y Relaciones con los medios a través de Twitter @RiceUNews .
