Исследователи разработали антибактериальные маски из графена

Маски стали важным инструментом в борьбе с пандемией COVID-19. Однако неправильное использование или утилизация масок может привести к «вторичной передаче». Исследовательская группа из Городского университета Гонконга (CityU) успешно создала графеновые маски с антибактериальной эффективностью 80%, которую можно повысить почти до 100% после 10-минутного воздействия солнечного света. Первоначальные тесты также показали многообещающие результаты в инактивации двух видов коронавирусов. Графеновые маски легко производить с низкой себестоимостью, и они могут помочь решить проблемы с поставками сырья и утилизацией небиоразлагаемых масок.

Исследование проводилось доктором Е Жуцюанем, доцентом кафедры химии CityU, в сотрудничестве с другими учёными. Результаты опубликованы в научном журнале ACS Nano под названием «Самоотчетность и фототермически усиленное быстрое уничтожение бактерий на маске из лазерно-индуцированного графена».

Обычные хирургические маски не обладают антибактериальными свойствами. Это создаёт риск вторичной передачи бактериальной инфекции при касании загрязнённой поверхности использованных масок или их неправильной утилизации. Кроме того, нетканый материал из расплава, используемый в качестве бактериального фильтра, наносит ущерб окружающей среде, так как плохо разлагается. Поэтому учёные ищут альтернативные материалы для производства масок.

Превращение других материалов в графен с помощью лазера

Доктор Е изучал использование лазерно-индуцированного графена для разработки устойчивой энергетики. Несколько лет назад, во время работы над степенью PhD в Университете Райса, исследовательская группа под руководством его научного руководителя обнаружила простой способ получения графена. Они выяснили, что прямое «рисование» коммерческой CO₂ инфракрасной лазерной системой на плёнках из содержащего углерод полиимида (полимерного пластикового материала с высокой термостабильностью) позволяет получить трёхмерный пористый графен. Лазер меняет структуру исходного материала, генерируя графен. Отсюда и название — лазерно-индуцированный графен.

Графен известен своими антибактериальными свойствами, поэтому ещё в сентябре прошлого года, до вспышки COVID-19, доктору Е пришла идея создать высокоэффективные маски на его основе. Он начал исследование в сотрудничестве с учёными из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST), Нанкайского университета и других организаций.

Отличная антибактериальная эффективность

Команда протестировала лазерно-индуцированный графен на E. coli, и он показал высокую антибактериальную эффективность около 82%. Для сравнения, эффективность активированного угольного волокна и нетканого материала из расплава, широко используемых в масках, составила лишь 2% и 9% соответственно. Результаты экспериментов также показали, что более 90% E. coli, нанесённых на эти материалы, оставались живыми даже через 8 часов, в то время как большинство бактерий, нанесённых на поверхность графена, погибали за 8 часов. Более того, лазерно-индуцированный графен продемонстрировал превосходную антибактериальную эффективность против аэрозольных бактерий.

Доктор Е отметил, что для точного понимания механизма уничтожения бактерий графеном нужны дополнительные исследования. Но он полагает, что это может быть связано с повреждением клеточных мембран бактерий острыми краями графена, а также с обезвоживанием, вызванным гидрофобными (водоотталкивающими) свойствами материала.

Предыдущие исследования показали, что COVID-19 теряет инфекционность при высоких температурах. Поэтому команда провела эксперименты, чтобы проверить, может ли фототермический эффект графена (выделение тепла при поглощении света) усилить антибактериальное действие. Результаты показали, что антибактериальная эффективность графенового материала может быть повышена до 99,998% в течение 10 минут под солнечным светом, в то время как для активированного угольного волокна и нетканого материала из расплава этот показатель составил лишь 67% и 85% соответственно.

Команда в настоящее время сотрудничает с лабораториями в материковом Китае для тестирования графенового материала на двух видах человеческих коронавирусов. Первоначальные тесты показали, что он инактивировал более 90% вируса за пять минут и почти 100% — за 10 минут под солнечным светом. Планируется провести тесты с вирусом COVID-19.

Следующим шагом станет дальнейшее повышение противовирусной эффективности и разработка стратегии повторного использования маски. Исследователи надеются вывести её на рынок вскоре после разработки оптимальной конструкции и получения необходимых сертификатов.

Доктор Е описал производство лазерно-индуцированного графена как «зелёную технологию». Любые содержащие углерод материалы, такие как целлюлоза или бумага, можно преобразовать в графен с её помощью. Преобразование происходит в обычных условиях без использования химикатов, кроме исходного сырья, и не вызывает загрязнения. Энергопотребление при этом низкое.

«Маски из лазерно-индуцированного графена можно использовать повторно. Если для производства графена использовать биоматериалы, это поможет решить проблему с поставками сырья для масок. А также уменьшит воздействие на окружающую среду от небиоразлагаемых одноразовых масок», — добавил он.

Доктор Е отметил, что производить лазерно-индуцированный графен легко. Всего за полторы минуты площадь в 100 см² может быть преобразована в графен для внешнего или внутреннего слоя маски. В зависимости от сырья, цена такой маски ожидается между стоимостью хирургической маски и маски N95. Он добавил, что, регулируя мощность лазера, можно изменять размер пор графенового материала, чтобы воздухопроницаемость была сопоставима с хирургическими масками.

Новый способ проверки состояния маски

Чтобы пользователи могли проверять, пригодна ли графеновая маска после некоторого времени использования, команда создала гигроэлектрический генератор. Он работает от электричества, генерируемого влагой человеческого дыхания. Измеряя изменение напряжения, вызванного влагой, когда пользователь дышит через графеновую маску, можно получить индикатор состояния маски. Результаты экспериментов показали: чем больше бактерий и атмосферных частиц накапливается на поверхности маски, тем ниже становится напряжение. «Стандарты частоты замены масок лучше определять профессионалам. Однако наш метод может служить ориентиром», — предложил доктор Е.