Инновации из графена для борьбы с пандемией

Для борьбы с возможными будущими вспышками заболеваний и более широкими проблемами, которые они несут, ключевое значение имеют адаптируемые и надежные медицинские технологии. Недавно научно-исследовательская инициатива Европейского союза Graphene Flagship собрала междисциплинарную рабочую группу, чтобы определить, как графен может быть использован для борьбы с болезнями и инфекциями.

Концепция болезни X - гипотетического патогена, способного вызвать будущие эпидемии, - была принята Всемирной организацией здравоохранения в 2018 году для обеспечения достаточной адаптации ее планов к новым заболеваниям. Пандемия COVID-19 подчеркнула, что новые инфекционные заболевания могут появиться в любое время, и что подготовка к этому событию сейчас важна как никогда.

Научно-исследовательская инициатива Graphene Flagship, финансируемая Европейской комиссией, объединила группу экспертов, чтобы определить, как уникальные свойства углеродного аллотропа графена - а также других слоистых материалов - могут быть использованы в таких областях, как вирусология, биотехнология и многих других. Рабочая группа изучает возможности использования графена и родственных материалов в разработке нового поколения противовирусных материалов.

Массовое тестирование

Быстрое и точное массовое тестирование необходимо при управлении любой вспышкой заболевания. Тысячи людей, ежедневно перемещающихся между городами, поселками и странами, могут быстро перевести эпидемию в пандемию. Задержка с разработкой экспресс-тестов и медленное выполнение ПЦР создали проблемы при глобальном реагировании на COVID-19, что подчеркивает важность тестирования.

Появление и последующая быстрая передача варианта Omicron в конце 2021 года привели к увеличению спроса на быстрое и доступное тестирование с использованием тестов бокового потока (экспресс-тест), однако их чувствительность и точность были поставлены под сомнение. Наличие быстрого и более чувствительного теста, который можно легко адаптировать для выявления любого патогена, стимулирующего реакцию антител, может обеспечить более эффективные стратегии управления при будущих вспышках заболеваний.

Ассоциированный член Graphene Flagship компания Grapheal в настоящее время разрабатывает электронный иммуноанализатор на основе графена. Биосенсор использует высокую чувствительность графена в сочетании с вирусспецифическими антителами для обнаружения вирусов в образцах слюны менее чем за пять минут. Тест может быть просто подключен к смартфону и представляет собой возможность быстрого и точного тестирования без затрат времени, характерных для существующих методов, таких как ПЦР. Эта технология была отмечена как "Лучшая инновация" на выставке потребительской электроники CES в 2022 году, которая считается самым влиятельным событием в мире технологий.

В настоящее время технология тестируется на точность и чувствительность, но при наличии антител ее можно адаптировать к текущим и будущим заболеваниям. Это также может быть реализовано для ускоренного и удобного тестирования в пунктах оказания медицинской помощи, а также в качестве обязательного требования перед поездками или многолюдными мероприятиями для смягчения распространения инфекции.

Новые технологии тестирования на основе графена разрабатываются не только в рамках инициативы Graphene Flagship. Например, американские ученые из университета Иллинойса разработали бумажный электрохимический диагностический тест на COVID-19, который может дать результат всего за пять минут. Недорогой тест основан на проводящих свойствах графена и золота и содержит наночастицы золота, покрытые чувствительными элементами из нуклеиновых кислот, которые могут связываться с РНК вируса SARS-CoV-2. Наличие вирусной РНК изменяет электрические показания датчика, что указывает на положительный результат.

Уменьшение распространения

Уже доказано, что графен обладает антибактериальным действием, но основным направлением работы целевой группы Graphene Flagship будет предложение новых способов разработки противовирусных технологий для улучшения борьбы с инфекциями. Среди возможных вариантов - разработка химически измененных материалов на основе графена, способных либо подавлять биологическую активность вирусов, либо полностью отталкивать их. Также было предложено покрывать поверхности графеном для повышения устойчивости к многократным циклам очистки, что снижает вероятность передачи заболеваний.

Обеспечение средствами индивидуальной защиты (СИЗ) было определено как критическая проблема на ранних стадиях пандемии, когда медицинские службы и предприятия боролись за получение подходящих и эффективных СИЗ. Было предложено использовать графен для разработки антимикробных материалов, которые могут значительно повысить эффективность СИЗ и чистящих средств.

Новый тип воздушного фильтра, который самостерилизуется и обеззараживается, разрабатывается в израильском университете Бен-Гуриона на основе технологий фильтрации воды. Новая нанотехнология базируется на разработках фильтров, изготовленных из лазер-индуцированного графена, которые уничтожают вирусы и бактерии в воде. Эта новая система, перепроектированная для фильтрации воздуха, может быть использована в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха или интегрирована в лицевые маски для получения эффекта самостерилизации.

В свою очередь, ученые Городского университета Гонконга разработали маску для лица, содержащую индуцированный лазером графен, который может убивать бактерии и продемонстрировал потенциал в деактивации коронавирусов. Слой графена обладает антибактериальными свойствами и способен вырабатывать тепло под воздействием солнечного света, что может лежать в основе его способности деактивировать коронавирусы.

Ученые уже тестировали маски, содержащие слой графена, и обнаружили, что они демонстрируют значительный антибактериальный эффект и потенциально могут использоваться против коронавирусов. В тестах с двумя типами коронавирусов человека маски инактивировали 90% вирусных частиц при солнечном свете всего за 5 минут, а 100% - за 10 минут.

Адаптация к новой норме

Помимо очевидной необходимости тестирования и инфекционного контроля, пандемия вызвала изменения в образе жизни и работы, повысив нашу зависимость от технологий и Интернета. Компьютеризированные системы для доставки и регистрации результатов анализов и отслеживания контактов также сыграли решающую роль в отслеживании случаев COVID-19. Повышение надежности и энергоэффективности этих систем может помочь облегчить будущий переход на удаленную работу и внедрение новых систем здравоохранения и сделать их более устойчивыми.

Члены Graphene Flagship продемонстрировали возможность использования графена в производстве жестких дисков сверхвысокой плотности для хранения данных. Технология обеспечивает десятикратное увеличение объема памяти до десяти терабит на квадратный дюйм. Это значительное увеличение емкости хранения данных на жестких дисках, что может способствовать переходу к более цифровым методам работы.

Головной проект Graphene Flagship, METROGRAPH, в настоящее время работает над передовыми коммуникационными технологиями для улучшения интернет-сетей с использованием фотонных чипов на основе графена. Предполагается, что это позволит улучшить беспроводную связь и обеспечить более дешевую передачу данных с высокой пропускной способностью. Наличие надежных систем связи и хранения данных имеет первостепенное значение при удаленной работе и использовании систем отслеживания контактов.

Пандемия привела к беспрецедентным нарушениям всех аспектов жизни во всем мире с 2019 года, и очевидно, что для предотвращения ее повторения в таких масштабах необходимы адаптивные и гибкие решения. Разрабатывая новаторские технологии, такие как эти инновации на основе графена, ученые и исследователи надеются предложить эффективную поддержку для улучшения стратегий управления и ограничения воздействия будущих новых заболеваний.

По материалам MedTech News, Medgadget.com, Israel21c.