Графеновая защита от коронавируса: производящие графен компании вышли на тропу войны с COVID-19
Медицинские маски, фильтрующие системы, дезинфицирующие гидрогели, экспресс-тесты для обнаружения COVID-19 и другие устройства на основе графена проходят последние испытания или уже выведены на рынок. «Русграфен.Медиа» рассказывает о перспективных разработках.
В условиях пандемии коронавируса медицинские приложения графена развиваются ускоренными темпами. Совокупность уникальных свойств графеновых материалов – биосовместимость, химическая устойчивость, непроницаемость для жидкостей и газов, высокая электропроводность и антибактериальная активность, а также прочность, гибкость и эластичность – позволяет использовать их для создания множества полезных устройств.
Графен фильтрует
В конце марта нью-йоркская компания LIGC Applications презентовала респираторную маску Guardian G-Volt , оснащенную системой фильтрации на основе лазерно-индуцированного графена – микропористой электропроводящей пены из связанных между собою графеновых хлопьев. К маске прилагается портативный аккумулятор, подключаемый через USB-порт. Он питает маску током малой величины, благодаря чему графеновый материал фильтра отталкивает малейшие частицы воды и пыли, способные переносить вирусы. Как утверждают разработчики, Guardian G-Volt непроницаемы для 99% частиц размерами 0,3 микрона и 80% - меньшего размера.
Самоочищающаяся маска от компании Guardian G-Volt.
В домашних условиях Guardian G-Volt предлагается хранить на подзарядке в специальной док-станции, где с помощью резистивного нагревания и использования стерилизующего раствора происходит глубокая очистка системы фильтрации. Изделия прошли испытание в израильском Университете Бен-Гуриона и Университете Райса в США. Наладить производство лазерно-индуцированных графеновых фильтров и масок Guardia n G-Volt планируется в ближайшее время Бельгии. Стоимость одного устройства будет составлять около 2,5 – 3 тысяч рублей (£ 30).
Более дешевые защитные графеновые маски планирует выпускать британская компания planarTECH и тайландский стартап IDEATI. Это хлопчатобумажные изделия с фильтром из графена и других углеродных наноматериалов. По словам разработчиков, они обладают антистатическими и антибактериальными свойствами, их можно стирать и повторно использовать до 10 раз.
Защитная маска от planarTECH и IDEATI
Перспективное направление развивают исследователи из Гонконгского политехнического университета. Разработанная ими технология позволяет наносить несколько слоев графена на медицинские маски из нектаных полимерных материалов, после чего фильтрующая поверхность маски становится супергидрофобной – способной самоочищаться от микрокапель жидкости, переносчиков вирусов. Повторной использовать такую маску можно после простой процедуры дезинфекции – нужно подержать маску под прямыми солнечными лучами в течение 40-100 секунд.
Итальянская компания Directa Plus предложила использовать графеновые материалы для создания, помимо медицинских масок, более надежных перчаток и халатов, предназначенных специально для медработников, ведущих борьбу с коронавирусом. Другая европейская компания Graphenea запустила производство дезинфицирующего графенового гидрогеля на спиртовой основе и безвозмездно распространяет его среди медиков, полицейских, военных и пожилых людей.
Антимикробные, фильтрующие и электропроводящие свойства графена также используются для создания перспективных систем очистки воздуха для офисных центров и промышленных складских помещений. В этом направлении активно работает R&D отдел американской графеновой компании G6 Materials (бывшей Graphene 3D Lab), основанной выпускниками МФТИ Еленой Поляковой и Даниилом Столяровым.
Графен детектирует
Создание сверхчувствительных биосенсоров на основе графена – одна из наиболее динамичных развивающихся сфер графеновых технологий. Уже представлены прототипы устройств, способных обнаруживать ДНК отдельных раковых клеток, измерять токсины, отслеживать содержание иммуноглобулинов и уровень глюкозы. Важнейшей задачей сегодняшнего дня стало разработка эффективных тест-систем для диагностики коронавирусной инфекции COVID-19, которую вызывает вирус SARS-CoV-2.
Большинство используемых сейчас тестов на COVID-19 основаны на методе полимеразной цепной реакции (ПЦР) с обратной транскрипцией, с помощью которого анализируется генетический материал вируса. Вместе с подготовкой тестируемого материала ПЦР-диагностика может занимать от нескольких часов до двух дней, что в условиях пандемии – крайне большой срок. Ученые из Корейского института фундаментальных науки и других исследовательских организаций Республики Кореи, разработали биосенсор, способный обнаруживать вирус SARS-CoV-2 за минуту.
Принцип действия графенового биосенсора (Giwan Seo et al. ACS Nano, 2020).
Биосенсор представляет собой полевой транзистор на основе высококачественного листа графена с высокой электропроводимостью. К поверхности графена прикрепляются антитела, специфичные к спайковом белкам SARS-CoV-2 – шиповидным выростам на поверхности вируса. Взаимодействие SARS-CoV-2 с антителами приводит к изменению силы электрического тока через транзистор, что легко регистрируется измеряющей аппаратурой.
Команда корейских ученых опробовала методику, используя мазки из носоглотки инфицированных короновирусом и здоровых пациентов. Время диагностики составило в среднем минуту. Однако чувствительность нового теста оказалась в 2-4 раза меньше, нежели у систем ПЦР-диагностики. Ученые продолжают работу по улучшению чувствительности графенового биосенсора.
Аналогичное направление развивает американская компания Grolltex. По словам руководства компании, им удалось разработать недорогой и эффективный графеновый биосенсор на пластиковой подложке, способный детектировать одновременно 12 различных вирусов, включая SARS-CoV-2. В данный момент компания ищет партнеров для запуска массового производства графеновых биосенсоров.
РУСГРАФЕН комментирует
Графеновые частицы обладают большой площадью поверхности и высокими абсорбционными свойствами, и поэтому их можно использовать для создания фильтров. Но стоит ли? Тот же активированный уголь, который в разы дешевле графена, демонстрирует не худшую, а то и лучшую абсорбционную активность. Поэтому какая целесообразность в первую очередь движет создателями графеновых масок – конструктивная или маркетинговая – хороший вопрос!
Другое дело оксид графена, то есть графен, содержащий в своей плоскости и по краям кислородосодержащие группы. Существует множество научных публикаций о высокой антибактериальный, антивирусной и даже фунгицидной активности оксида графена. К тому же он биосовместим. Оксид графена наверняка вскоре вытеснит гораздо более дорогие и менее эффективные микрочастицы серебра, которые так часто сейчас добавляются в различные антисептики. Разработкой перспективных обеззараживающих средств и покрытий на основе оксида графена активно занимаются наши партнеры – компания Графенокс под руководством старшего научного сотрудника Института проблем химической физики РАН Сергея Баскакова.
Еще одним безусловно плодотворным направлением является создание графеновых сенсоров для диагностики вирусов, токсинов и других патогенов. Принципиальная возможность их создания и высокая эффективность уже доказана. В нашей стране графеновые биодатчики успешно разрабатываются в Центре «Нанотехнологии в электроники» МИЭТ командой старшего научного сотрудника Ивана Бобринецкого и группой профессора Альберта Насибулина из Сколтеха. Команда РУСГРАФЕН также работает в этом направлении, поскольку в перспективных графеновых сенсорах (не только биологических, но и газовых, и фотодетекторах) используется высококачественный CVD-графен, производство которого в России было впервые запущенно именно нашей компанией.