COVID-19的绝大多数传播是通过感染者或无症状者在交谈和呼吸过程中产生的致病性气溶胶传播。空气交换不足和人们长时间在封闭环境中，比如家庭、办公室、医院、和车辆中，气溶胶颗粒很容易吸入到肺部深处。然而，纤维过滤器为了达到高过滤效率的标准，存在填料结构致密、所需厚度不足等问题，导致压降高(> 300pa)，能耗大。此外，被纤维网络捕获的病原体表现出持续的感染活动，这很容易造成交叉污染和以下潜在的安全风险。因此，开发具有高过滤性能和阻断致病性气溶胶传播功能的集成纳米纤维过滤器是迫切需要的。

在此，东华大学丁彬教授团队报道了一种自下而上的方法，通过结合电纺二氧化硅纳米纤维、细菌纤维素纳米纤维和疏水性 Si-O-Si 弹性粘合剂，构建具有可再生抗菌性能的笼状结构超柔性纳米纤维气凝胶 (CSA)。合成的气凝胶具有高孔隙率、疏水性、超弹性、可折叠性、可再生氯化能力(> 5400ppm)、对PM0.3的高过滤性能(>99.97%，189 Pa)、优异的抗菌和抗病毒活性(接触5分钟可降低6个对数)、使气凝胶能够拦截并灭活空气中的致病性污染物。CSA的成功合成为设计用于公共卫生保护的高性能空气过滤材料提供了新的可能性。相关研究成果以“Tailoring Nanonets-Engineered Superflexible Nanofibrous Aerogels with Hierarchical Cage-Like Architecture Enables Renewable Antimicrobial Air Filtration”为题目发表于期刊《Advanced Functional Materials 》上。

图 1. a) 显示 CSA 制造的图示。b）通过动态测量在气凝胶表面上拒水的光学照片。c) 气凝胶的可折叠特性。d) 一张光学照片，显示人的头发支撑着气凝胶（密度为 0.28 mg cm-3）而没有变形。e) 大尺度二氧化硅纳米纤维膜和尺寸约为 30 cm×40 cm×1 cm 的气凝胶的光学照片。f-i) 不同放大倍数下制备的气凝胶的微观结构。

CSAs设计和组装方法

为了获得具有强大机械性能的笼状结构超柔性纳米纤维气凝胶（CSA），作者基于三个原则设计了 CSA：i）SiO2 纳米纤维应表现出强大的柔韧性； ii) 将 SiO2 纳米纤维组装成 3D 纳米纤维骨架网络，并引入 BC 纳米纤维在 SiO2 纤维骨架上形成二维细纳米网； iii)气凝胶必须具有可再生的杀菌活性，当被病原体污染的空气通过气凝胶时，气凝胶必须有效拦截和灭活病原体和病毒。对于前两个需求，选择柔韧柔软的电纺 SiO2 纳米纤维作为构建块，水解硅烷溶胶作为粘合剂，通过纤维冷冻成型方法将 SiO2 和 BC 纳米纤维组装成纳米纤维笼。对于最后一个要求，将 N-卤胺化合物二羟甲基-5,5-二甲基乙内酰脲 (DMDMH) 引入分散体中，并通过进一步加热处理接枝到所得气凝胶上。在空气净化过程中，细菌和病毒首先被分级的纳米纤维笼拦截，然后N-卤胺功能化的纤维框架会释放活性氯使病原体灭活，而清洁的空气则可以通过气凝胶过滤器。

图 2. a) 气凝胶笼状结构的形成机制。b) 作用在 BC 纳米纤维上的力的图示。c) BC 分子模型和代表性 d) Si-O-Si 网络模型的理论上优化的几何形状和平衡校正的相互作用能。e-h) 分别来自 0、10、20 和 30 wt% 的各种 BC 含量的笼状结构气凝胶的 SEM 图像。i) 具有不同 BC 纳米纤维含量的 CSA 的孔径分布。j) 来自不同 BC 含量的气凝胶的 PM0.3 去除效率和压降。 k) 空气过滤过程中 CSA-0 和 CSA-20 的模拟气流压力场。

图 3. a) 具有各种最大应变的 CSA 的压缩应力与应变曲线。b) 50% 应变下 1000 次循环压缩。 c) 作为测试循环函数的最大应力、杨氏模量和能量损失系数。d) 气凝胶的粘弹性。e) 所选低密度蜂窝材料的杨氏模量 (E/Es) 和密度 (ρ/ρs) 之间的关系。f) 作为压缩循环函数的储能模量、损耗模量和阻尼比。g）具有各种最大屈曲应变的气凝胶的应力-应变曲线。h) 1000 次循环屈曲实验，应变为 100%。i) 气凝胶在 100 000 次循环屈曲循环中的储能模量、损耗模量和阻尼比。

CSA 的笼状纤维结构和 N-卤胺接枝基团，结合其强大的机械性能，使其成为一种有前途的可再生抗菌和抗病毒空气过滤材料。图 4a 展示了气凝胶的抗菌和抗病毒空气过滤过程。当被污染的空气与CSA-Cl接触时，细小的BC纳米网会拦截病毒和细菌；同时，气凝胶可以通过与重要的细菌细胞成分（如酶和蛋白质）直接反应来释放氧化氯并杀死病原体。然后气凝胶的 N-Cl 基团会在氧化氯消耗后转化为原始的 N-H 基团。更有趣的是，杀菌氯可以通过氯化再生，实现可再生的抗菌和抗病毒功能。

图 4.a) 显示气凝胶空气过滤程序的图示。b) 10 次循环氯化实验中气凝胶的活性氯含量。c) 分别在 0 和 2000 年 COD 条件下制备的 CSA 和 CSA-Cl 对大肠杆菌的杀菌动力学。d) 针对 CSA 和 CSA-Cl 的噬菌体的杀生物试验。e) CSA-Cl 的可再生抗菌和抗病毒特性。f) 含病毒的气溶胶发生器和使用气凝胶和 3M 过滤器的抗病毒测试。 g,h) 选定的三个过滤器区域的抗病毒特性。

作者制备1×106 PFU mL-1 直径为1～5 μm的含噬菌体气溶胶作为模型污染空气，其大小与人类咳嗽产生的气溶胶大小相似。如图 4f 所示，将 CSA-Cl 过滤器放在 3M 空气过滤器的顶部，两个过滤器暴露于 0.2 mL min-1 的气溶胶流中 2 分钟。接触 5 分钟后，测试了三个代表性区域（CSA-Cl 区域、3M 过滤器的控制区域和控制区域的底部）的抗病毒活性（图 4g）。如图4h所示，负载在对照过滤器前面的噬菌体增殖并自由生长，表明其无法抑制病毒的定植。然而，由于气凝胶的拦截作用，对照区底部只有3对数的噬菌体存活。相比之下，在 CSA-Cl 上没有检测到活病毒，显示出对病原微生物的强大保护。

此外，还进行了用于抗菌空气过滤测试的封闭房间的缩小模型，气凝胶用作商用车空气净化器的替代过滤器。车载空气净化器（带有气凝胶过滤器或初始商用过滤器）暴露于含病毒的气溶胶中，并测量了杀菌活性。负载在对照区域的噬菌体表现出高活性且自由生长，但在气凝胶上未检测到活病毒。这些结果表明，该气凝胶可以作为一种可扩展的杀菌空气过滤器，不仅可以拦截而且可以有效杀死受感染空气中的病原体，这意味着其在抗菌空气过滤中的实用性。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202107223.