作为最常见的空气污染物，颗粒物（PMs）已被证实对人类健康造成了负面影响，并成为全球第五大死因。尤其是直径小于2.5μm 的PMs，不仅可随时进入血液释放有毒物质，还可能成为细菌和病毒的载体，加速呼吸道传染病的传播。使用高性能的防护口罩和呼吸器被认为是减少吸入可吸入颗粒物和阻止病原体流行病在全球扩散的最关键的防护措施。完全可生物降解的聚乳酸（PLA）膜因优异的生物相容性和高机械性能成为替代传统过滤器的有吸引力的候选者。PMs的捕获和细菌的杀灭主要依赖于带电纳米纤维的静电吸附，而电纺聚乳酸纳米纤维膜通常具有较低的介电常数，这意味着较低的偶极电荷存储电容。因此，制备高性能的PLA过滤器非常重要，它可以在长期情况下实现高过滤效率和低空气阻力之间的平衡，并降低其对细菌的高敏感性。

近日，中国矿业大学职业健康研究院郑丽娜教授/徐欢副教授与四川大学钟淦基教授、军科院防化院李和国研究员开展合作，在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》，发表了最新研究成果“Self-Charging, Breathable, and Antibacterial Poly(lactic acid) Nanofibrous Air Filters by Surface Engineering of Ultrasmall Electroactive Nanohybrids”。研究者提出了“电纺-电喷”相结合的技术路线，通过直接锚定高介电BTO@ZIF-8来使PLA纳米纤维功能化，在不牺牲 PLA 纤维滤膜的生物降解特性的情况下，提供高效和低阻力过滤、出色的抗菌性能和机械坚固性的特殊组合，对高效和长期医疗保健具有潜在影响。

在这项研究中，研究者提出“静电纺丝-电喷雾”相结合的技术路线，将高介电BaTiO3@ZIF-8纳米杂化体（BTO@ZIF-8）直接锚定在聚乳酸纳米纤维表面，显著提高纳纤膜（NFM）的表面活性、原位驻极性能（表面电位高达7.5 KV）和电荷再生功能（输出电压增加190%）。鉴于表面形态和电活性的充分调控，功能化纳纤膜表现出优异的长效防护性能（PM0.3效率高达96.54%，PM2.5效率高达99.49%），并保持理想的低空气阻力（32 L/min流量下仅87 Pa）。此外，该纳纤膜可持续产生活性氧（ROS）和表面电荷，具有优异的广谱抗菌特性（对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抗菌率均高达99.9%），在高性能空气过滤装置和个体防护装备等领域有良好应用前景。

图1 自充电抗菌PLA/BZ NFM

BTO@ZIF-8 的原位包埋显著提高了 PLA/BZ NFM 的电活性（图2）。BTO@ZIF-8 赋予了 NFM 高介电常数（高达 1.82 F/m）、更高的表面电位（高达 7.5 kV）。PLA/BZ NFMs还表现出优异的压电性能，PLA/BZ10 NFM（13.87 V）的摩擦输出电压几乎是纯PLA NFM（4.86 V）的2.5倍。由于通过摩擦电产生持续提供电荷，滤波器表面可以保持累积的静电势。PLA/BZ NFMs优异的自充电特性限制了静电吸附效应的快速衰减，增加了电荷的储存时间并显著延长了过滤器的有效保护时间。

图2 PLA/BZ NFMs的电活性

为了评估PLA/BZ纳纤膜的过滤性能，研究了其在不同气流量（10、32、65、85 L/min）的空气过滤性能（图3）。随着气流速度的增加， PLA/BZ10对PM2.5的过滤效率仅从99.9%下降到99.3%，表明PLA/BZ NFMs具有更稳定的过滤性能，适用于不同气流速度下的PM过滤。在高流速下（分别为65和85 L/min的气流量），由于PLA/BZ10优异的自充电特性，PLA/BZ10与纯PLA的过滤效率差异十分明显。PLA/BZ10的低空气阻力（85 Pa，85 L/min）在满足防护口罩的舒适性要求方面也具有明显的优势。总体而言，PLA/BZ10的过滤性能符合N99防护口罩的标准。基于 PLA/BZ10 的过滤器在长期呼吸保护和低空气阻力之间实现了平衡。

图3 PLA/BZ NFMs的过滤性能

PLA/BZ NFMs的高效过滤可以进一步归类为以下多种机制（图4）。（1）原位包埋BTO@ZIF-8赋予了过滤器丰富的吸附位点和增加的比表面积，而且增加了表面粗糙度，提高了PMs与纳米纤维之间的碰撞和粘附概率，有助于提高物理拦截的能力。（2）BTO@ZIF-8的嵌入不仅增强了过滤器的电荷捕获和存储能力，而且将动态循环呼吸产生的机械能转化为连续的电荷输出，提高了静电对超细颗粒物的吸附（3）利用BTO@ZIF-8的高极性官能团和开放活性位点，进一步增强了纳米纤维与PMs之间的活性吸附，基于增强物理拦截、静电吸附和主动吸附的协同作用，PLA/BZ NFMs对污染物PMs表现出优异的过滤性能。

图4 PLA/BZ NFMs的过滤机理

分别选取大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的代表菌株，验证PLA/BZ10的广谱抑菌活性（图5）。纯PLA对大肠杆菌的抑制率提高到约42.2%，对PLA/BZ10的抑制率进一步提高到99.9%。同样，纯PLA对金黄色葡萄球菌的抑制率提高到26.7%，PLA/BZ10对金黄色葡萄球菌的抑制率进一步提高到99.9%。Zn2+、2-MIM的释放和ROS的产生，使PLA/BZ10表现出优异的抗菌活性。

图5 PLA/BZ NFMs的抗菌性能

本研究介绍了制备具有增强电活性、吸附性和抗菌活性的环保BTO@ZIF-8纳米杂化物，并公开了BTO@ZIF-8修饰PLA的NFMs的制备。BTO@ZIF-8的引入显著提高了PLA/BZ NFMs的电活性、过滤性能、抗菌活性和力学活性，并且可以通过调节BTO@ZIF-8的含量来调节其改善程度，PLA/BZ10表现出优异的综合性能。由于PLA/BZ10优异的电反应性，过滤性能显著提高，在不同的气流速度下，其中滑移效应可能有助于降低空气阻力。具有增强电活性、过滤和抗菌性能的抗菌、自充电和完全可生物降解的PLA/BZ NFM在高性能空气过滤器、口罩和防护服中具有广阔的应用前景，为解决基于传统聚合物纤维的废弃口罩造成的塑料/微塑料污染提供了一种新途径。

论文链接： https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.3c13825

人物简介：

通讯作者：郑丽娜，中国矿业大学教授，博士生导师。江苏省特聘教授获得者，中国矿业大学职业健康研究院院长。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。主持国家自然科学基金面上项目和多个省部级项目，作为项目主要完成人参与美国职业研究基金（NORA）和NIOSH纳米技术研究中心基金（NTRC）项目4项，在Journal of Aerosol Science、Analytical Chemistry、 Journal of Analytical Atomic Spectrometry、Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy等国际知名SCI期刊上发表第一作者论文多篇，授权国际发明专利1项，受邀担任《Aerosol Science and Technology》、《Journal of Aerosol Science》、《Atmospheric Environment》、《Journal of Sensors》等期刊审稿人。

通讯作者：徐欢，中国矿业大学副教授，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SCI论文24篇（其中JCR一区16篇），卓越中文期刊6篇，授权发明专利9件，获2021年贵州省自然科学奖三等奖（排名2/3），2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖。

第一作者：梁琛裕，2023年本科毕业于中国矿业大学安全工程专业国际班，现已保送至北京大学环境健康专业直接攻读博士研究生。在本科学习期间，连续三年荣获国家奖学金和校级优秀学生荣誉称号，连续两年荣获“瓦斯·好学”奖学金；2次获得全国高校安全科学与工程大学生实践与创新作品大赛一等奖、“互联网+”大学生创业竞赛省二等奖1次、省三等奖2次。