Luftburna bakterier kan se vad som ser ut som en bekväm shag matta att bosätta sig på. Men det är en fälla.

Rice University forskare har förvandlat sin laserinducerade grafen (LIG) till självsteriliserande filter som tar upp patogener ur luften och dödar dem med små pulser av elektricitet.

Det flexibla filtret som utvecklats av kemisten James Tours Rice-lab kan vara av speciellt intresse för sjukhus. Enligt Centers for Disease Control and Prevention, patienter har en 1-i-31 chans att få en potentiellt antibiotikaresistent infektion under sjukhusvistelse.

Enheten som beskrivs i tidskriften American Chemical Society ACS Nano fångar upp bakterier, svampar, sporer, prioner, endotoxiner och andra biologiska föroreningar som transporteras av droppar, aerosoler och partiklar.

Filtret förhindrar sedan mikroberna och andra föroreningar från att föröka sig genom att periodiskt värma upp till 350 grader Celsius (662 grader Fahrenheit), tillräckligt för att utplåna patogener och deras giftiga biprodukter. Filtret kräver lite ström, och värms och kyls inom några sekunder.

LIG är ett ledande skum av ren, atomärt tunna kolskivor syntetiserade genom uppvärmning av ytan på ett vanligt polyimidark med en industriell laserskärare. Processen som upptäcktes av Tours labb 2014 har lett till en rad tillämpningar för elektronik, triboelektriska nanogeneratorer, kompositer, elektrokatalys och till och med konst.

Att anpassa det för användning som ett filter innebar laserbyggande grafen på båda sidor av polyimiden, lämnar böter, tredimensionellt gitter av polymeren för att förstärka grafenskummet. Laserbyggnad vid olika temperaturer resulterade i en tjock skog av grafenfibrer med mindre, sammankopplade ark undertill.

Som all ren grafen, skummet leder elektricitet. När elektrifierad, Joule-uppvärmning höjer filtrets temperatur över 300 C, tillräckligt för att inte bara döda fångade patogener utan också för att bryta ner giftiga biprodukter som kan mata nya mikroorganismer och aktivera det mänskliga immunsystemet.

Forskarna föreslog en enda, specialanpassat LIG-filter kan vara tillräckligt effektivt för att ersätta de två filterbäddar som för närvarande krävs av federala standarder för sjukhusventilationssystem.

"Så många patienter blir infekterade av bakterier och deras metabola produkter, vilket till exempel kan resultera i sepsis på sjukhuset, Tour sa. "Vi behöver fler metoder för att bekämpa luftburen överföring av inte bara bakterier utan även deras nedströmsprodukter, vilket kan orsaka allvarliga reaktioner hos patienter.

"Några av dessa produkter, som endotoxiner, måste utsättas för temperaturer på 300 grader Celsius för att avaktivera dem, "ett syfte som tjänas av LIG-filtret, han sa. "Detta kan avsevärt minska överföringen av bakteriegenererade molekyler mellan patienter, och därigenom sänka de slutliga kostnaderna för patientvistelser och minska sjukdomar och dödsfall från dessa patogener."

Laboratoriet testade LIG-filter med ett kommersiellt vakuumfiltreringssystem, drar igenom luft med en hastighet av 10 liter per minut i 90 timmar, och fann att Joule-uppvärmning framgångsrikt sanerade filtren från alla patogener och biprodukter. Inkubering av använda filter i ytterligare 130 timmar visade ingen efterföljande bakterietillväxt på de uppvärmda enheterna, till skillnad från kontroll LIG-filter som inte hade värmts upp.

"Bakterieodlingsexperiment utförda på ett membran nedströms från LIG-filtret indikerade att bakterier inte kan tränga igenom LIG-filtret, " sa Rice andraårsstudent John Li, co-lead författare till uppsatsen tillsammans med postdoktorn Michael Stanford.

Stanford noterade att steriliseringsfunktionen "kan minska frekvensen med vilken LIG-filter skulle behöva bytas ut i jämförelse med traditionella filter."

Tour föreslog LIG luftfilter kan också hitta sin väg in i kommersiella flygplan.

"Det har förutspåtts att år 2050, 10 miljoner människor per år kommer att dö av läkemedelsresistenta bakterier, ", sade han. "Världen har länge behövt någon strategi för att mildra den luftburna överföringen av patogener och deras relaterade skadliga produkter. Detta LIG-luftfilter kan vara en viktig del i det försvaret."