现有多功能个人防护装备（医疗、航空、特种作业领域常用）存在多重矛盾：高防护材料多采用高密度非织造布/致密涂层，透气、透湿性能差；驻极体材料在高湿环境下电荷快速衰减，过滤效率大幅下降；一次性防护用品大量废弃，带来严峻生态污染。防护膜需维持皮肤-织物界面温湿平衡、洁净状态：致密膜阻隔污染物但透气性差，多孔透气膜易被液体渗透、污染物附着且无自清洁能力。
针对上述问题，中国矿业大学何新建教授与徐欢副教授团队提出一种层级异质界面构筑（HHIS）策略：将沸石咪唑酯骨架材料 ZIF-8 纳米晶嵌入聚乳酸（PLA）纤维内部，并在纤维表面负载氟化二氧化钛（F−TiO2）纳米单元，成功制备出兼具微环境调控与自净化功能的生物基可降解超材料膜（MRSD-PLA）。两种组分形成的电负性差异，可引导电子定向迁移并实现电荷重新分布。
ZIF-8 兼具多孔结构与电化学活性，既能捕获并储存电荷，又可实现物质跨膜传输：该复合膜水蒸气透过率达4018 g·m−2·d−1，在100 Pa气压下透气率高于60 mm·s −1 。结合F−TiO2赋予的疏水与自清洁性能，体系可形成持续的电荷迁移过程，构建起捕获-储存-再生的闭环循环。该材料可实现自驱动式灵敏监测，对PM0.3的过滤效率高达99.3%，同时压差仅为51.9 Pa，品质因子达0.11 Pa−1。此外，MRSD-PLA 超膜能够有效抑制细菌滋生，在优异力学性能与生物可降解性之间实现良好平衡，在高性能个人防护领域具备广阔应用前景。相关研究内容以“Hierarchically heterogeneous interface structuring strategy for microenvironment-regulating and self-decontaminating biodegradable meta-membranes”为题目，发表在期刊《Nature Communications》上。
图 1 MRSD-PLA 材料的制备路线与应用场景。a 采用静电纺丝-静电喷涂技术构建纳米纤维内部异质界面。b 面向个人防护的微环境调控与环境适配型多功能集成。
MRSD-PLA 超材料膜的制备
研究通过静电纺丝工艺，将高孔隙、高电活性的 ZIF-8 纳米晶嵌入单根 PLA 纤维内部，形成有序的分子传输通道，实现空气与水蒸气的定向扩散，动态调节皮肤表层微环境。同时，ZIF-8 中大量的配位不饱和位点可作为高效电子陷阱，用于电荷存储。研究进一步通过静电喷涂技术，在纤维表面负载低表面能、高电催化活性的F−TiO2纳米块，使材料具备疏水自清洁能力，并构建深层电荷陷阱。
图2 MRSD-PLA 的结构特征。(a) ZIF-8 纳米晶、(b) F-TiO₂纳米块的制备路线与微观形貌；(c) P-PLA、(d) MRSD-PLA2、(e) MRSD-PLA4、(f) MRSD-PLA6 的SEM；MRSD-PLA 在波数区间 (g) 4000~650 cm −1、(h) 1500~1300 cm −1、(i) 1250~1150 cm −1、(j) 1160~1020 cm −1的傅里叶变换红外光谱；(k) MRSD-PLA的XRD；(l) ZIF-8与MRSD-PLA的氮气吸附-脱附等温线；(m、n) MRSD-PLA的应力-应变曲线及拉伸强度。
MRSD-PLA 超材料膜微环境调控性能
依托层级异质界面构筑策略，MRSD-PLA6 的水接触角达到137.4°，显著优于纯 PLA 膜。纤维无序堆积形成连通的微纳孔隙网络，依靠分子热运动与浓度差实现气体渗透。F−TiO2形成的微纳凸起结构进一步强化疏水性，抑制水分铺展，避免纤维间隙与 ZIF-8 微孔被堵塞，保障气体与水汽高效传输。同时，异质界面提升材料比表面积，提供大量吸附与扩散位点，加快纤维表面水分蒸发，有效抑制界面水分积聚与热量滞留，优化整体透湿性能。
水蒸气在 MRSD-PLA6 的多级孔道中遵循菲克扩散规律，依靠浓度差实现水汽与热量协同传输。在化学组分与微观结构的共同作用下，冷凝液滴可长时间悬浮于膜表面而不渗透，材料兼具优异的防水性与透气性。
图 3 MRSD-PLA 的透湿与透气性能。(a) MRSD-PLA 的水接触角；(b) MRSD-PLA 的多尺度结构与功能演变；(c) MRSD-PLA6 的水蒸气透过性能测试；(d) MRSD-PLA6 的动态润湿行为及液滴脱离过程（时间分辨表征）；(e) MRSD-PLA6 的拒液性能；(f) 砂-水混合污染物作用下 MRSD-PLA6 的自清洁过程；(g) MRSD-PLA6 与商用材料的水蒸气透过率对比；(h) 防水透气机理示意图；(i) MRSD-PLA 的透气性能；(j) MRSD-PLA 内部气体与水汽传输路径示意图。
图 4 MRSD-PLA 的电子定向迁移与电荷重分布机理。(a) 经 90 天存放、高湿环境静置 24 h 及湿度循环测试后，MRSD-PLA 的表面电位衰减情况；(b) MRSD-PLA 的相对介电常数；(c) MRSD-PLA 表面电位与相对介电常数的关联关系，插图为 MRSD-PLA6 的静电吸附效果测试；(d) 极化前后聚乳酸分子链的表面静电势分布；(e) 层级异质界面构筑策略调控纳米纤维空间电荷的作用示意图；(f) 接触-分离循环过程中的电势分布模拟结果；(g) 电子在异质界面间的迁移轨迹示意图；(h-j) MRSD-PLA 的电学输出性能：开路电压、短路电流及转移电荷量；(k) 不同湿度梯度下 MRSD-PLA6 的开路电压变化；(l) MRSD-PLA6 持续 500 秒循环测试的开路电压稳定性。
MRSD-PLA 超材料膜空气净化性能
具有异质界面结构的 MRSD-PLA，在不同气流速率下对最难穿透的PM0.3均保持高过滤效率。气流速率10 L⋅min−1时，MRSD-PLA 对PM0.3的过滤效率超 99.1%，对应压差仅51.9 Pa，兼具高净化效率与低运行阻力。当气流速率提升至85 L⋅min−1时，纯PLA膜过滤效率骤降至71.3%，压差超过400 Pa；而 MRSD-PLA 的过滤效率仅小幅下降，气流阻力增幅有限。
界面强附着力使F−TiO2纳米块稳定负载于纤维表面，反复水洗后无明显脱落，材料结构稳定性、环境耐受性与重复使用性良好。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测试证实，多次水洗过程中钛元素溶出量极低。依托稳定的电荷存储与结构自恢复机制，MRSD-PLA6可长期保持稳定的PM2.5过滤能力。
图 5 MRSD-PLA的空气过滤性能及作用机理。(a) 不同气流速率下MRSD-PLA对PM0.3的过滤效率；(b)对应工况下的压差；(c)品质因子；(d)水洗前MRSD-PLA6对PM2.5的过滤效率；(e)水洗后 MRSD-PLA6对PM2.5的过滤效率；(f) 水洗处理后MRSD-PLA6对PM2.5过滤效率的长期稳定性，插图为过滤后样品的扫描电镜图；(g) 90% 相对湿度环境下放置24 h，样品对 PM2.5的过滤效率；(h)经历湿度循环后样品对PM2.5的过滤效率；(i) 孔径分布；(j)孔隙率；(k) MRSD-PLA的静电作用与功能机制示意图；(l) 异质界面结构诱导的动态电荷平衡示意图。
MRSD-PLA 超材料膜自净化与生物降解性能
本研究采用平板菌落计数法，评价样品对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑菌能力。纯 PLA 膜本身具备一定抑菌效果，这与其较低的表面能有关；而MRSD-PLA系列膜对两种细菌均表现出优异的灭活能力，且抑菌效果随F−TiO2负载量增加而提升，其中MRSD-PLA6抑菌率可达 90.3%。
本研究将纯PLA与MRSD-PLA6置于40 ℃湿润土壤中进行填埋实验，模拟温暖潮湿的自然环境，通过强化微生物代谢与酶解作用加速高分子链断裂。填埋 84 天后，两组样品均发生明显降解，结构彻底破损，直观证明材料具备良好生物降解性，也证实层级异质界面构筑策略可调控材料全生命周期环境行为。
图6 MRSD-PLA的抑菌机理及堆肥降解特性。(a) MRSD-PLA的抑菌效果，空白组为对照组；(b) MRSD-PLA的抑菌效率；(c) MRSD-PLA多重抑菌机制示意图；(d)分子层面的抑菌作用机理；(e) MRSD-PLA6对L929细胞的毒性检测；(f) 纯聚乳酸膜（P-PLA）、MRSD-PLA6 分别与对照组共培养后，L929细胞的活/死染色结果；(g) MRSD-PLA6 经土壤填埋后的堆肥降解行为。
结论
综上，本文借助层级异质界面构筑策略，成功制备出兼具环境自适应微环境调控与自净化功能的超膜。将高电活性、多孔的 ZIF-8纳米晶嵌入纤维内部，可构筑高效的分子传输通道。MRSD-PLA膜具备优异的透湿性（4018 g・m⁻²・d⁻¹）与透气性（＞60 mm・s⁻¹），能够快速疏导汗液与热量，实现皮肤微环境的实时调控。
纤维内部掺杂与表面改性相结合，构建出异质纤维界面。该结构形成微纳粗糙形貌与深层电荷陷阱，可推动电子定向迁移与空间电荷重分布，有效缓解材料在复杂环境下的性能衰减。即便处于高湿环境中，MRSD-PLA膜仍可保持稳定的表面电势、可靠的电信号传输能力以及优异的颗粒物过滤效率。
这种层级结构可通过多重机制协同抑制细菌滋生，同时兼顾材料使用阶段的力学强度与废弃后的生物降解性能。本研究为新一代高性能个人防护膜的系统化设计提供了可借鉴的通用思路。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72873-z
