L’Université Rice adapte le graphène induit par laser pour éliminer les agents pathogènes

« L’Université Rice adapte le graphène induit par laser pour éliminer les agents pathogènes de l'air », source communiqué de l’Université Rice.

Les bactéries présentes dans l'air peuvent voir à quoi ressemble à un tapis confortable de récupération sur lequel elles peuvent se poser. Mais c’est un piège.

Les scientifiques de l'Université Rice ont transformé leur graphène induit par laser (LIG pour laser induced graphene) en filtres auto-stérilisants qui captent les agents pathogènes de l'air et les tuent avec de petites impulsions électriques.

Le filtre flexible mis au point par le laboratoire de l’Université de Rice du chimiste James Tour pourrait intéresser particulièrement les hôpitaux. Selon les Centers for Disease Control and Prevention, les patients ont une chance sur 31 de contracter une infection potentiellement résistante aux antibiotiques au cours de leur hospitalisation.

Les filtres à air auto-stérilisants au graphène induit par laser créés à l'Université Rice montrent un potentiel d'utilisation dans les hôpitaux. Les filtres retiennent les bactéries et autres agents pathogènes en suspension dans l’air, puis les éliminent par chauffage à effet Joule du matériau conducteur. (Crédit: Groupe Tour/ Université Rice).

Le dispositif décrit dans la revue de l’American Chemical Society, ACS Nano, capture les bactéries, les moisissures, les spores, les prions, les endotoxines et d'autres contaminants biologiques véhiculés par les gouttelettes, les aérosols et les particules.

Le filtre prévient ensuite les microbes et autres contaminants de proliférer en se chauffant périodiquement jusqu'à 350°C, suffisamment pour éliminer les agents pathogènes et leurs sous-produits toxiques. Le filtre consomme peu d'énergie et se chauffe et se refroidit en quelques secondes.

Le LIG est une mousse conductrice constituée de feuilles de carbone atomiques pures et minces synthétisées par chauffage de la surface d'une feuille de polyimide courante à l'aide d'un dispositif de découpe au laser industriel. Le procédé découvert par le laboratoire de Tour en 2014 a conduit à une gamme d’applications pour l’électronique, les nanogénérateurs triboélectriques, les composites, l’électrocatalyse et même l’art.

L’adaptation pour l’utiliser comme filtre signifiait que le graphène induit par laser sur les deux côtés du polyimide, laissant un réseau fin et tridimensionnel du polymère pour renforcer la mousse de graphène. La formation de laser à différentes températures a donné une forêt épaisse de fibres de graphène avec des feuilles interconnectées plus petites en dessous.

Comme tout graphène pur, la mousse conduit l'électricité. Lorsqu’il est électrifié, le chauffage par effet Joule élève la température du filtre au-dessus de 300°C, ce qui suffit non seulement à tuer les agents pathogènes piégés, mais également à décomposer les sous-produits toxiques susceptibles de nourrir de nouveaux micro-organismes et d’activer le système immunitaire.

Vue sur une image au microscope électronique, des feuilles de graphène de taille micrométrique créées à l'Université Rice forment un filtre à air à deux couches qui piège les agents pathogènes et les tue ensuite avec une petite rafale d'électricité. Remerciements au Groupe Tour.

Les chercheurs ont suggéré qu'un seul filtre LIG personnalisé peut être suffisamment efficace pour remplacer les deux filtre à lit de actuellement requis par les normes fédérales pour les systèmes de ventilation des hôpitaux.

« Un si grand nombre de patients sont infectés par des bactéries et leurs produits métaboliques, ce qui peut entraîner une septicémie pendant leur séjour à l'hôpital », a déclaré Tour. « Nous avons besoin de plus de méthodes pour lutter contre le transfert par voie aérienne des bactéries mais aussi de leurs produits en aval, ce qui peut provoquer des réactions graves chez les patients. »

« Certains de ces produits, tels que les endotoxines, doivent être exposés à des températures de 300 ° C pour pouvoir être désactivées », ce que fait le filtre LIG. « Cela pourrait réduire considérablement le transfert de molécules générées par des bactéries entre les patients et ainsi réduire les coûts ultimes des séjours en patient et réduire les risques de maladie et de décès dus à ces agents pathogènes. »

Le laboratoire a testé les filtres LIG avec un système de filtration sous vide du commerce, puisant l’air à une vitesse de 10 litres par minute pendant 90 heures. Il a en outre constaté que le chauffage par effet Joule avait permis de désinfecter avec succès les filtres de tous les agents pathogènes et sous-produits. L'incubation des filtres usés pendant 130 heures supplémentaires n'a révélé aucune croissance bactérienne ultérieure sur les unités chauffées, contrairement aux filtres LIG témoins qui n'avaient pas été chauffés.

« Les expériences de culture de bactéries effectuées sur une membrane en aval du filtre LIG ont montré que les bactéries ne peuvent pas pénétrer dans le filtre LIG », a déclaré John Li, un étudiant en deuxième année de Rice, co-auteur de l’article avec le chercheur en postdoc Michael Stanford.

Stanford a noté que la fonction de stérilisation « peut réduire la fréquence à laquelle les filtres LIG devraient être remplacés par rapport aux filtres traditionnels. »

Tour a suggéré que les filtres LIG à air pourraient également se retrouver dans les avions commerciaux.

« On prévoit que d'ici 2050, 10 millions de personnes par an mourront d'une bactérie résistante aux antibiotiques », a-t-il déclaré. « Le monde a depuis longtemps besoin d'une approche pour atténuer le transfert de pathogènes en suspension dans l'air et de leurs produits dangereux. Ce filtre LIG à air pourrait être un élément important de cette défense. »