空气污染，包括颗粒物 (PM) 和空气中的病原体，已成为影响人类健康和安全的一个突出问题。传统的一次性口罩无法长时间有效地拦截这些危险微粒。从结构上看，其过滤层由聚丙烯 (PP) 微纤维组成，需要通过静电荷赋予口罩颗粒粘附力。然而，电荷量可能会因潮湿条件而消散，导致过滤效率降低。此外，空气中的病菌可能会在纤维上存活数小时甚至数天，大大增加二次传染的风险。这些问题使口罩的长期使用受到限制。开发具有内在杀菌且高效耐用的空气过滤材料迫在眉睫。

近日，大连理工大学叶俊伟教授团队在期刊《International Journal of Biological Macromolecules》上，发表了最新研究成果“Polarity-dominated chitosan biguanide hydrochloride-based nanofibrous membrane with antibacterial activity for long-lasting air filtration”。研究者通过同轴静电纺丝工艺，设计并构建了由聚丙烯腈 (PAN) 和壳聚糖双胍盐 (CGH) 组成的纳米纤维膜（图1）。PAN@CGH纳米纤维膜具有过滤效率高、可酒精消毒、过滤性能持久、抗菌性能优异等特点，有望成为高性能口罩以及过滤用材料。

图1：纳米纤维膜的制备与形貌。

PAN@CGH纳米纤维膜能有效杀死细菌。而商用口罩几乎没有抗菌性能，此外，随着CGH含量的增加，纳米纤维膜的抗菌性能也有所提高。特别是在CGH纺丝溶液浓度为3.5 wt%、纳米纤维中CGH含量约为6%时，杀菌率可达99.99%以上 (图2)。抗菌机制是带正电荷的双胍基团与带负电荷的磷脂之间的静电相互作用扰乱了细菌细胞膜的电荷分布，导致细菌内部物质流出，致使细菌死亡。

图2：纳米纤维膜的抗菌性能。

纤维膜对颗粒污染物表现出卓越的捕获能力，包括极难过滤的油性颗粒 (图3)。即使在没有外部电荷的情况下，纤维也可以通过表面的氰基和氨基与PM产生的极性作用力高效稳定地拦截捕获颗粒污染物。高浓度PM环境下，即使长时间连续工作，纤维膜的过滤效率也能稳定在90%以上 (图4)。这项研究为开发具备杀菌能力且过滤性能高效持久的口罩和空气过滤装置提供了新的思路。

图3：PAN@CGH-PP纤维膜的拦截PM机理。

图4：PAN@CGH-PP纤维膜空气过滤的长效性。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.127729

人物简介：

叶俊伟，大连理工大学化工学院教授，博士生导师，辽宁省硼镁特种功能材料制备及应用技术工程实验室主任。目前主要从事资源化工与先进功能材料研究。担任中国化工学会无机酸碱盐委员会委员、辽宁省化工学会化工新材料专业委员会副主任委员、石油化工专业委员会委员、辽宁省非金属矿工业协会副会长等。承担和参与完成国家自然科学基金项目、国家“863”计划项目、企业委托项目等40余项；在国内外学术期刊上发表论文150多篇；授权发明专利40多项。曾获国家级教学成果奖一等奖、中国石油和化工教育教学成果一等奖、辽宁省教学成果奖一等奖、中国化工学会无机酸碱盐专业委员会成立四十周年杰出青年奖、大连市高层次人才等。