能够有效去除颗粒物和病原体的功能性口罩在解决由工业空气污染和COVID-19大流行引起的健康需求方面至关重要。然而，目前市面上大多数的商用口罩采用了繁琐复杂的网络成型工艺（如熔喷和静电纺丝）进行制造。此外，所使用的材料（如聚丙烯）存在重要的局限性，如缺乏病原体灭活和可降解性，如果随意丢弃可能导致二次感染和严重的环境问题。目前，开发具有内在杀菌和可生物降解的口罩仍是一个巨大的挑战。

鉴于此，四川大学刘公岩教授和美国西北大学陈朝见研究员团队在期刊《Journal of Hazardous Materials》上，发表了最新研究成果“Antibacterial, antiviral, and biodegradable collagen network mask for effective particulate removal and wireless breath monitoring”。研究者提出了一种简单和直接的方法来创建基于分层多孔胶原纤维网络的可生物降解和自消毒口罩，能够有效去除PM和进行无线呼吸监测。

图1：CFN-TA-Ag的制造和形态。

图2：CFN-TA-Ag的表征。

如图1所示，通过脱毛、切片和酶解等操作去除绵羊皮中的非胶原成分来制备胶原纤维网络（CFN），然后用单宁酸（TA）处理得到CFN-TA，具有天然分层多孔结构的CFN可以很容易地被TA修饰，以分散其胶原纤维。最后，在TA处理的CFN表面原位合成AgNPs得到CFN-TA-Ag。对功能化的CFN-TA-Ag的机械、化学和生物特性进行了一系列的表征（图2），证明了其作为口罩使用的可能性。

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图3：CFN-TA-Ag的PM去除性能

将CFN、CFN-TA-Ag及商用口罩的PM去除性能进行对比，凭借CFN固有的分层多孔结构及TA对胶原纤维的分散，CFN-TA-Ag对0.3~10 μm的PM均具有优异的去除效率（＞98.5%）。此外，其较小的压降（80 Pa）和较高的质量因子（0.052 Pa-1）均表明CFN-TA-Ag在去除PM方面具有良好的效果。

图4：CFN-TA-Ag的抗菌及抗病毒性能

如图4所示，CFN-TA-Ag可以快速有效地灭活包括细菌和病毒在内的病原微生物。当被污染的空气通过CFN-TA-Ag时，胶原纤维网络物理拦截和捕获了纤维上的病原体；此外，AgNPs的存在实现了对病原体的接触杀灭。因此，CFN-TA-Ag作为口罩使用时能够对病原体进行过滤消毒，减少了病原体二次传播的可能性。

图5：CFN-TA-Ag的传感性能

除了出色的消毒性能外，AgNPs的引入为CFN-TA-Ag提供了压力传感能力，使其成为制造智能口罩的理想材料。将CFN-TA-Ag与无线传感系统相结合，能够用于呼吸监测。因此，CFN-TA-Ag智能口罩有望作为一种呼吸监测工具，通过建立健康数据库，帮助人们管理自己的健康。

综上所述，CFN已被探索为一种直接制造生物相容性、生物可降解性和多功能智能口罩的新材料。通过简单的TA处理，全面提高了机械性能和热稳定性。重要的是，具有抗菌和抗病毒能力的AgNPs可以原位合成并稳定地固定在CFN表面。由于分层多孔结构，CFN-TA-Ag表现出优异的PM过滤性能。此外，CFN-TA-Ag已成功集成到无线呼吸监测的智能平台中。该智能口罩将在空气净化（如PM去除、病原体失活）、健康管理（如呼吸监测、疾病早期预警）和应对商业、不可生物降解口罩引起的全球环境危机等领域具有重要应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2023.131654

人物简介：

刘公岩，四川大学轻工科学与工程学院教授，博士生导师。主要聚焦于皮胶原的清洁化高效鞣制和功能化高值利用领域，以皮胶原的天然多层级物理结构和胶原纤维表面化学性质为研究角度，围绕鞣剂分子与胶原纤维空间界面相互作用的关键科学问题，开展了系列研究并取得创新性工作成绩。近年，主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、四川省科技厅等科研项目20余项，以第一/通讯作者发表高水平SCI论文50余篇，授权发明专利13项，转化5项。