Onderzoekers ontwikkelen antibacteriële gezichtsmaskers van grafeen

Gezichtsmaskers zijn een belangrijk hulpmiddel geworden in de strijd tegen de COVID-19-pandemie. Onjuist gebruik of onjuist weggooien van maskers kan echter leiden tot “secundaire transmissie”. Een onderzoeksteam van de City University of Hong Kong (CityU) heeft met succes grafeenmaskers geproduceerd met een antibacteriële efficiëntie van 80%, die kan worden verbeterd tot bijna 100% bij blootstelling aan zonlicht gedurende ongeveer 10 minuten. De eerste tests lieten ook veelbelovende resultaten zien bij de deactivering van twee soorten coronavirussen. De grafeenmaskers zijn gemakkelijk te produceren tegen lage kosten en kunnen helpen bij het oplossen van de problemen van het betrekken van grondstoffen en het weggooien van niet-biologisch afbreekbare maskers.

Het onderzoek wordt uitgevoerd door dr. Ye Ruquan, universitair docent van het Department of Chemistry van CityU, in samenwerking met andere onderzoekers. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift ACS Nano, getiteld ‘Zelfrapportage en fotothermisch verbeterde snelle bacteriedoding op een lasergeïnduceerd grafeenmasker“.

Veelgebruikte chirurgische maskers zijn niet antibacterieel. Dit kan leiden tot het risico van secundaire overdracht van bacteriële infectie wanneer mensen de besmette oppervlakken van de gebruikte maskers aanraken of ze op onjuiste wijze weggooien. Bovendien hebben de smeltgeblazen weefsels die als bacteriefilter worden gebruikt een impact op het milieu omdat ze moeilijk te ontbinden zijn. Daarom zijn wetenschappers op zoek geweest naar alternatieve materialen om maskers te maken.

Andere materialen omzetten in grafeen door laser

Dr. Ye heeft het gebruik van lasergeïnduceerd grafeen bij de ontwikkeling van duurzame energie bestudeerd. Toen hij Ph.D. een aantal jaren geleden aan de Rice University afgestudeerd, ontdekte het onderzoeksteam waaraan hij deelnam en geleid door zijn supervisor een gemakkelijke manier om grafeen te produceren. Ze ontdekten dat direct schrijven op koolstofhoudende polyimidefilms (een polymeer plastic materiaal met hoge thermische stabiliteit) met een commerciële CO₂ infrarood lasersysteem kan 3-D poreus grafeen genereren. De laser verandert de structuur van de grondstof en genereert zo grafeen. Daarom wordt het lasergeïnduceerd grafeen genoemd.

Grafeen staat bekend om zijn antibacteriële eigenschappen, dus al in september, vóór de uitbraak van COVID-19, kwam het produceren van beter presterende maskers met lasergeïnduceerd grafeen al bij Dr. Ye op. Vervolgens zette hij de studie op gang in samenwerking met onderzoekers van de Hong Kong University of Science and Technology (HKUST), Nankai University en andere organisaties.

Het team van Dr. Ye gebruikt de CO₂ infrarood lasersysteem om grafeen te genereren. Experimentresultaten tonen aan dat het grafeen dat ze produceerden een veel betere antibacteriële efficiëntie vertoont dan actieve koolstofvezel en smeltgeblazen weefsels. Krediet: City University of Hong Kong

Uitstekende antibacteriële efficiëntie

Het onderzoeksteam testte hun lasergeïnduceerde grafeen met E. coli en het behaalde een hoge antibacteriële efficiëntie van ongeveer 82%. Ter vergelijking: de antibacteriële efficiëntie van actieve koolstofvezel en smeltgeblazen weefsels, beide veelgebruikte materialen in maskers, waren respectievelijk slechts 2% en 9%. Experimentresultaten toonden ook aan dat meer dan 90% van de E. coli die erop waren afgezet zelfs na 8 uur in leven bleef, terwijl de meeste E. coli die op het grafeenoppervlak waren afgezet na 8 uur dood waren. Bovendien vertoonde het lasergeïnduceerde grafeen een superieure antibacteriële capaciteit voor bacteriën in aerosolvorm.

Dr. Ye zei dat er meer onderzoek nodig is naar het exacte mechanisme van de bacteriedodende eigenschap van grafeen. Maar hij geloofde dat het verband zou kunnen houden met de schade aan bacteriële celmembranen door de scherpe rand van grafeen. En de bacteriën kunnen worden gedood door uitdroging veroorzaakt door de hydrofobe (waterafstotende) eigenschap van grafeen.

Eerdere studies suggereerden dat COVID-19 zijn besmettelijkheid zou verliezen bij hoge temperaturen. Daarom voerde het team experimenten uit om te testen of het fotothermische effect van grafeen (het produceren van warmte na het absorberen van licht) het antibacteriële effect kan versterken. De resultaten toonden aan dat de antibacteriële efficiëntie van het grafeenmateriaal binnen 10 minuten onder zonlicht kon worden verbeterd tot 99,998%, terwijl actieve koolstofvezel en smeltgeblazen weefsels slechts een efficiëntie van respectievelijk 67% en 85% vertoonden.

Het team werkt momenteel samen met laboratoria op het vasteland van China om het grafeenmateriaal te testen met twee soorten menselijke coronavirussen. Eerste tests toonden aan dat het meer dan 90% van het virus in vijf minuten en bijna 100% in 10 minuten onder zonlicht inactiveerde. Het team is van plan later tests uit te voeren met het COVID-19-virus.

Hun volgende stap is om de antivirus-efficiëntie verder te verbeteren en een herbruikbare strategie voor het masker te ontwikkelen. Ze hopen het kort na het ontwerpen van een optimale structuur voor het masker en het behalen van de certificeringen op de markt te brengen.

Het team fabriceert een hygro-elektrische generator om de verandering in de door vocht geïnduceerde spanning te meten wanneer de gebruiker door het grafeenmasker ademt. Credit: ACS Nano (2020). DOI: 10.1021 / acsnano.0c05330

Dr. Ye beschreef de productie van lasergeïnduceerd grafeen als een “groene techniek”. Alle koolstofhoudende materialen, zoals cellulose of papier, kunnen met deze techniek worden omgezet in grafeen. En de conversie kan worden uitgevoerd onder omgevingsomstandigheden zonder andere chemicaliën dan de grondstoffen te gebruiken en zonder vervuiling te veroorzaken. En het energieverbruik is laag.

“Laser-geïnduceerde grafeenmaskers zijn herbruikbaar. Als biomaterialen worden gebruikt voor de productie van grafeen, kan dit helpen om het probleem van het vinden van grondstoffen voor maskers op te lossen. En het kan de milieu-impact verminderen die wordt veroorzaakt door de niet-biologisch afbreekbare wegwerpmaskers,” voegde hij eraan toe. .

Dr. Ye wees erop dat het produceren van lasergeïnduceerd grafeen eenvoudig is. Binnen slechts anderhalve minuut kan een oppervlakte van 100 cm² worden omgezet in grafeen als buiten- of binnenlaag van het masker. Afhankelijk van de grondstoffen voor de productie van grafeen, wordt verwacht dat de prijs van het lasergeïnduceerde grafeenmasker tussen die van het chirurgische masker en het N95-masker ligt. Hij voegde eraan toe dat door het laservermogen aan te passen, de grootte van de poriën van het grafeenmateriaal kan worden aangepast zodat het ademend vermogen vergelijkbaar is met die van chirurgische maskers.

Een nieuwe manier om de staat van het masker te controleren

Om gebruikers te helpen controleren of grafeenmaskers nog in goede staat zijn na een tijdje gebruikt te zijn, heeft het team een ​​hygro-elektrische generator gemaakt. Het wordt aangedreven door elektriciteit die wordt opgewekt uit het vocht in de menselijke adem. Door de verandering in de door vocht geïnduceerde spanning te meten wanneer de gebruiker door een grafeenmasker ademt, geeft dit een indicatie van de toestand van het masker. Experimentresultaten toonden aan dat hoe meer bacteriën en atmosferische deeltjes zich ophopen op het oppervlak van het masker, hoe lager de spanning is. “De norm voor hoe vaak een masker moet worden vervangen, kan beter door de professionals worden bepaald. Toch kan deze methode die we hebben gebruikt als referentie dienen”, stelde Dr. Ye voor.