长期暴露于颗粒物，尤其是超细颗粒物（PM0.3），会对人体的健康产生危害，从而引发呼吸系统疾病。根据典型症状，如呼吸困难、呼吸急促或不规则的呼吸模式，对呼吸进行监测可以作为减少呼吸系统疾病的预防措施。尽管可生物降解的环保型聚乳酸（PLA）纳米纤维膜（NFMs）在呼吸保健领域有着广泛的应用前景，但仍存在驻极效果较差、介电性能较差和表面活性较低等缺陷，实现长效呼吸防护和智能呼吸诊断存在挑战。
近日，中国矿业大学职业健康研究院何新建教授/徐欢副教授团队在期刊《ACS Appl. Mater. Interfaces》，发表了最新研究成果“Hierarchically Nano-Decorated Poly(lactic acid) Nanofibers for Humidity-Resistant Respiratory Healthcare and High-Accuracy Disease Diagnosis”。 中国矿业大学为第一署名单位，论文第一作者为安全工程学院博士生李佳琪，通讯作者为何新建教授、徐欢副教授。研究通过“静电纺丝-静电喷雾”策略，将定制的ZnO@PDA纳米电介质锚定于PLA纤维表面，显著改善了PLA的驻极效果、电荷存储能力和表面活性，进而提高了PLA NFMs的电活性和过滤性能，并借助深度学习算法实现了呼吸诊断，为制备兼具高效呼吸防护和智能诊断功能的环保型纳米纤维提供了新的可能性。
图1 面向高抗湿呼吸防护和高精度疾病诊断的聚乳酸纳米纤维膜
研究者首先采用微波辅助法合成了具有高表面活性的ZnO@PDA纳米电介质，进一步通过“静电纺丝-静电喷雾”方法将其锚定于PLA纳米纤维表面，从而改善PLA的电活性，以实现长效呼吸防护和自供能呼吸监测。
图2 PLA/ZnO@PDA (PLA/ZP) NFMs的制备和表征
ZnO@PDA与PLA间的界面极化显著改善了PLA NFMs的驻极效果和电荷存储能力，PLA/ZP NFMs的表面电势和介电常数分别为纯PLA的2.9和1.6倍，同时，PLA/ZP NFMs的摩擦电输出电压可达11.5 V，可以通过捕捉呼吸振动实现电荷再生。
图3 PLA/ZP NFMs的电活性和摩擦电输出性能
通过物理拦截、静电捕集、活性吸附等多重机制，PLA/ZP NFM在32 L/min的空气流速下对PM0.3 过滤效率高达 99.45%，且空气阻力仅为 94.1 Pa。在高湿过滤测试和长时间过滤测试中，PLA/ZP NFM展现出优异的抗湿能力和长期稳定性。
图4 PLA/ZP NFMs的过滤性能
将基于PLA/ZP的TENG集成到呼吸防护面罩中，能够实现对呼吸状态的实时监测，且输出信号在长时间测试中保持稳定。结合无线通信技术可以在手机客户端实时查看呼吸监测数据。
图5 PLA/ZP NFMs的实时呼吸监测应用
构建二维卷积神经网络（2D-CNN）模型，对四种呼吸信号（呼吸急促、正常呼吸、呼吸过缓、呼吸暂停）进行识别，训练后的算法模型对呼吸信号得识别准确率高达100%。
图6 用于疾病诊断的深度学习辅助呼吸模式识别
本研究通过PLA纳米纤维表面工程化来改善电纺PLA纤维膜的驻极效果和介电性能，利用“静电纺丝-静电喷雾”方法制备了PLA/ZP纳米纤维膜。所制备的电活性PLA/ZP纳米纤维膜在空气过滤和自供电呼吸监测方面大有可为，有望在人工智能技术的帮助下实现呼吸系统疾病的精确诊断。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c11843
人物简介：
通讯作者：何新建，教授，中国矿业大学博士生导师。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。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文50余篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH 特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP 副主编等。
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。近五年以第一/通讯作者发表SCI论文13篇（其中JCR一区6篇），卓越中文期刊3篇，授权发明专利8件，获2021年贵州省自然科学奖三等奖（排名2/3），2022年全国博士后揭榜领题金奖。
第一作者：李佳琪，中国矿业大学安全工程学院直博生。现主要从事可降解高分子材料在空气过滤领域及健康监测领域的研究，已发表SCI一区论文5篇。
