CityU produit des masques en graphène avec une excellente efficacité antibactérienne

Revue par Emily Henderson, B.Sc.10 sept 2020

Les masques faciaux sont devenus un outil important dans la lutte contre la pandémie COVID-19. Cependant, une mauvaise utilisation ou élimination des masques peut entraîner une «transmission secondaire». Une équipe de recherche de l'Université de la ville de Hong Kong (CityU) a réussi à produire des masques en graphène avec une efficacité antibactérienne de 80%, qui peut être augmentée à presque 100% avec une exposition au soleil pendant environ 10 minutes.

Les premiers tests ont également montré des résultats très prometteurs dans la désactivation de deux espèces de coronavirus. Les masques en graphène sont facilement produits à faible coût et peuvent aider à résoudre les problèmes d'approvisionnement en matières premières et d'élimination des masques non biodégradables.

La recherche est menée par le Dr Ye Ruquan, professeur assistant du département de chimie de CityU, en collaboration avec d'autres chercheurs. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique ACS Nano, intitulé « Auto-déclaration et élimination bactérienne rapide par photothermie sur un masque de graphène induit par laser« .

Les masques chirurgicaux couramment utilisés ne sont pas antibactériens. Cela peut entraîner un risque de transmission secondaire d'une infection bactérienne lorsque des personnes touchent les surfaces contaminées des masques usagés ou les jettent de manière incorrecte. De plus, les tissus fondus-soufflés utilisés comme filtre bactérien ont un impact sur l'environnement car ils sont difficiles à décomposer. Par conséquent, les scientifiques recherchent des matériaux alternatifs pour fabriquer des masques.

Conversion d'autres matériaux en graphène par laser

Le Dr Ye a étudié l'utilisation du graphène induit par laser dans le développement d'énergie durable. Alors qu'il étudiait son doctorat à l'Université Rice il y a plusieurs années, l'équipe de recherche à laquelle il a participé et dirigée par son superviseur a découvert un moyen simple de produire du graphène. Ils ont découvert que l'écriture directe sur des films de polyimide contenant du carbone (une matière plastique polymère à haute stabilité thermique) en utilisant un CO du commerce₂ Le système laser infrarouge peut générer du graphène poreux 3D. Le laser modifie la structure de la matière première et génère ainsi du graphène. C'est pourquoi il est nommé graphène induit par laser.

Le graphène est connu pour ses propriétés antibactériennes, donc dès septembre dernier, avant l'épidémie de COVID-19, la production de masques surperformants avec du graphène induit par laser a déjà traversé l'esprit du Dr Ye. Il a ensuite lancé l'étude en collaboration avec des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST), de l'Université de Nankai et d'autres organisations.

Excellente efficacité antibactérienne

L'équipe de recherche a testé son graphène induit par laser avec E. coli et a obtenu une efficacité antibactérienne élevée d'environ 82%. En comparaison, l'efficacité antibactérienne de la fibre de carbone activé et des tissus fondus-soufflés, deux matériaux couramment utilisés dans les masques, n'était que de 2% et 9% respectivement. Les résultats des expériences ont également montré que plus de 90% des E. coli déposés sur eux restaient vivants même après 8 heures, tandis que la plupart des E. coli déposés sur la surface du graphène étaient morts après 8 heures. De plus, le graphène induit par laser a montré une capacité antibactérienne supérieure pour les bactéries en aérosol.

Le Dr Ye a déclaré que des recherches supplémentaires sur le mécanisme exact de la propriété de destruction des bactéries du graphène sont nécessaires. Mais il pensait que cela pourrait être lié aux dommages des membranes cellulaires bactériennes par le tranchant du graphène. Et les bactéries peuvent être tuées par la déshydratation induite par la propriété hydrophobe (hydrofuge) du graphène.

Des études antérieures suggéraient que le COVID-19 perdrait son pouvoir infectieux à des températures élevées. L'équipe a donc mené des expériences pour tester si l'effet photothermique du graphène (produisant de la chaleur après avoir absorbé la lumière) pouvait améliorer l'effet antibactérien. Les résultats ont montré que l'efficacité antibactérienne du matériau graphène pouvait être améliorée à 99,998% en 10 minutes sous la lumière du soleil, tandis que la fibre de carbone activé et les tissus soufflés par fusion ne montraient qu'une efficacité de 67% et 85% respectivement.

L'équipe travaille actuellement avec des laboratoires en Chine continentale pour tester le matériau graphène avec deux espèces de coronavirus humains. Les premiers tests ont montré qu'il inactivait plus de 90% du virus en cinq minutes et près de 100% en 10 minutes sous la lumière du soleil. L'équipe prévoit d'effectuer des tests avec le virus COVID-19 plus tard.

Leur prochaine étape consiste à améliorer encore l'efficacité de l'antivirus et à développer une stratégie réutilisable pour le masque. Ils espèrent le commercialiser peu de temps après avoir conçu une structure optimale pour le masque et obtenu les certifications.

Le Dr Ye a décrit la production de graphène induit par laser comme une « technique verte ». Tous les matériaux contenant du carbone, tels que la cellulose ou le papier, peuvent être convertis en graphène en utilisant cette technique. Et la conversion peut être effectuée dans des conditions ambiantes sans utiliser de produits chimiques autres que les matières premières, ni provoquer de pollution. Et la consommation d'énergie est faible.

Les masques de graphène induits par laser sont réutilisables. Si des biomatériaux sont utilisés pour produire du graphène, cela peut aider à résoudre le problème de l'approvisionnement en matière première pour les masques. Et cela peut réduire l'impact environnemental causé par les masques jetables non biodégradables. « 

Dr Ye Ruquan, professeur assistant du département de chimie de CityU

Le Dr Ye a souligné que la production de graphène induit par laser est facile. En seulement une minute et demie, une surface de 100 cm² peut être convertie en graphène comme couche externe ou interne du masque. Selon les matières premières utilisées pour produire le graphène, le prix du masque de graphène induit par laser devrait se situer entre celui du masque chirurgical et celui du masque N95. Il a ajouté qu'en ajustant la puissance du laser, la taille des pores du matériau en graphène peut être modifiée afin que la respirabilité soit similaire à celle des masques chirurgicaux.

Une nouvelle façon de vérifier l'état du masque

Pour permettre aux utilisateurs de vérifier si les masques en graphène sont toujours en bon état après avoir été utilisés pendant un certain temps, l'équipe a fabriqué un générateur hygroélectrique. Il est alimenté par l'électricité produite à partir de l'humidité de la respiration humaine. En mesurant le changement de la tension induite par l'humidité lorsque l'utilisateur respire à travers un masque en graphène, il fournit un indicateur de l'état du masque. Les résultats des expériences ont montré que plus les bactéries et les particules atmosphériques s'accumulaient à la surface du masque, plus la tension était basse. « La norme de la fréquence à laquelle un masque doit être changé doit être décidée par les professionnels. Pourtant, cette méthode que nous avons utilisée peut servir de référence », a suggéré le Dr Ye.

Le Dr Ye est l'un des auteurs correspondants de l'article. Les deux autres auteurs correspondants sont le professeur Tang Benzhong de HKUST et le Dr Zhu Chunlei de l'Université de Nankai. Le premier auteur de l'article est Huang Libei, doctorant du Dr Ye. Les autres membres de l'équipe CityU sont Xu Siyu, Su Jianjun et Song Yun, tous du Département de chimie. Parmi les autres collaborateurs figuraient des chercheurs du HKUST, de l'Université de Nankai, ainsi que le Dr Chen Sijie du Centre Ming Wai Lau pour la médecine réparatrice, Karolinska Institutet.