空气中颗粒物（PMs）污染和各类病原体（尺寸可低至几十纳米）对公共健康和经济社会发展造成了严重威胁。尤其是超细颗粒物（PM_0.3）可直接穿透肺泡和血管，携带并远距离输送病毒或细菌，对人体健康造成潜在危害。聚乳酸（PLA）因其良好可生物降解行，且易于加工成型纳米纤维膜（NFMs），在解决日益严重的PMs污染和塑料/微塑料污染方面具有巨大潜力。但是，普通聚乳酸纳米纤维表面活性低、电活性和驻极性能差，难以获得高效捕尘机制，限制其在空气净化领域应用。因此，开发具有高电活性的聚乳酸纤维材料对制备生态友好型过滤材料具有重要意义。

近日，中国矿业大学职业健康研究院和军科院防化院合作在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》，发表了最新研究成果“Nanopatterned Electroactive Poly(lactic acid) Nanofibrous MOFilters for Efficient PM_0.3 Filtration and Bacterial Inhibition”。研究者提出通过“电纺-电喷”相结合的策略将ZIF-8紧密锚定于聚乳酸纳米纤维，通过控制不同质量分数介电ZIF-8分散液来调控纤维形态并增加纤维表面活性，进而显著提高了PLA纤维滤膜的电活性、驻极性能、过滤性能和抑菌性能。

在这项研究中，研究者首先采用微波辅助法合成了具有高比表面积（超过1012 m²/g）和较小尺寸（约240 nm）的介电ZIF-8纳米晶体，并通过"电纺-电喷"联合策略将其紧密锚定于聚乳酸纳米纤维（PLA@ZIF-8），最终实现ZIF-8对聚乳酸纤维的表面功能化。通过静电喷雾将ZIF-8纳米晶体锚定于PLA纤维表面，极大改善了PLA纳纤膜电荷存储能力和表面活性，从而有效地提高了对PM_0.3的捕获效率。另外，PLA@ZIF-8 NFMs还展现出完美的抑菌性能以及由气流振动触发的自充电功能，这使得制备的MOFilters在滤除超细颗粒物和阻止病毒气溶胶传播领域成为一种前景广阔的综合防护材料。

图1 纳米图案化电活性聚乳酸纳米纤维MOFilters。

电喷ZIF-8分散体在PLA纤维表面构建纳米级粗糙结构，从而调控纤维形貌（图2）。Pure PLA电纺膜由表面光滑的PLA纤维随机堆叠而成，其捕获污染物的能力较弱。与此形成鲜明对比的是，PLA@ZIF-8纳纤膜的SEM图像显示，随着分散体质量分数的增加，纤维表面逐渐出现明显的纳米突起且牢固地嵌入PLA纤维表面，实现了对纤维形态的控制。

图2 纳米图案化电活性聚乳酸纳米纤维的形态演化。

MOFs具有多孔、大比表面积和多金属位点等诸多优势，其中ZIF-8材料中存在丰富的官能团和较高的ζ电位，它赋予了PLA@ZIF-8 NFMs更高的电活性（图3），包括高介电系数（增加 202%）、高表面电位（高达5.8 kV）和高摩擦电性能（在10 N、0.5 Hz 条件下输出电压可达30.8 V）。另外，在高湿度环境下，PLA@ZIF-8 NFMs的电活性仍维持在较高水平，这对于改善PLA纤维膜的过滤性能具有重要意义。

图3 纳米图案化聚乳酸纳米纤维膜的电活性。

为了探究ZIF-8的引入给PLA纳纤膜过滤性能带来的影响，在各个气体流速（10、32、65、85 L/min）下评价了过滤器的综合过滤性能（图4a–c）。鉴于对形态和电活性的控制，PLA@ZIF-8 NFMs能高效过滤PM_0.3（97.1%，85 L/min），并降低了空气阻力（592.5 Pa），远超对比样Pure PLA（88.4%，650.9 Pa）。同时，PLA@ZIF-8 NFMs实现了多种过滤机制，包括增强的物理拦截、极性相互作用、静电吸附以及气流振动引发的自充电功能，因此所制备的纳纤膜展现出较高的品质因子（0.017 Pa⁻¹，32 L/min）。另外，在RH=90%的高湿环境中，PLA@ZIF-8 NFMs对PM_0.3的过滤效率仍能维持在一个较高水平（92.3%，32 L/min）（图4d），表明所制备的纳纤膜能够用于高效空气过滤。

图4 纳米图案化电活性聚乳酸纳米纤维膜的过滤性能。

在众多MOFs材料中，ZIF-8展现出优异的光催化特性，其主要的抑菌机制在于其释放的ROS。鉴于这一优点，利用E. coli和S. aureus评估了PLA@ZIF-8 NFMs膜过滤器的抗菌性能（图5）。实验结果表明，Pure PLA和PLA@ZIF-8 NFMs的菌落数有明显差异。Pure PLA过滤器对E. coli和S. aureus的抑菌效率分别为8.5%和22.0%。相比之下，经ZIF-8表面功能化的膜过滤器对这两种细菌的抑菌效率均在99.0%以上。特别是PLA@ZIF6膜对S. aureus的抑菌效率达到100%，且研究结果显示PLA@ZIF-8 NFMs对S. aureus比对E. coli更敏感，而Pure PLA的抑菌效果并不明显。因此，经ZIF-8功能化的聚乳酸纳纤膜在破坏细菌细胞和杀灭细菌方面具有完美的效果，这为高效医疗保健的抗菌空气过滤器的开发提供了一个新的范例。

图5 纳米图案化电活性聚乳酸纳米纤维膜的抑菌性能。

本研究采用“静电纺丝-静电喷雾”相结合的策略来实现ZIF-8对PLA纤维的表面功能化。所制备的空气过滤器具有良好的综合污染控制性能，并在极大程度上提高聚乳酸纳纤膜电活性。PLA纳纤膜具有理想的生物相容性和可降解性，有望应用于环保型空气过滤材料，实现滤除超细颗粒物和阻止病毒气溶胶传播。未来，围绕可降解纤维过滤膜在呼吸防护和智能监测领域的重要应用，团队将继续深入开展基于高电活性PLA纤维的呼吸防护和智能监测研究。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c11941

人物简介：

通讯作者：徐欢，副教授，中国矿业大学硕士生导师。长期从事可降解高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，参与国家能源集团“井工煤矿粉尘与职业病防治研究”项目，聚焦空气清洁化、疾病防控和塑料污染等重大民生问题，攻关矿井粉尘滤除关键材料绿色化技术，开展了高效空气过滤终端用聚乳酸微/纳纤维材料研发。近三年以第一/通讯作者发表论文20篇，授权发明专利13件，获2022年全国博士后揭榜领题金奖。

第一作者：朱桂英，中国矿业大学材料与物理学院2022级硕士研究生。