空气污染已成为全球公共卫生的重大挑战。据世界卫生组织统计，空气污染每年导致数百万人过早死亡。在众多空气污染物中，可吸入的超细气溶胶（PM0.3、PM0.5、PM1.0）不仅能够穿透并攻击人体器官，还可携带病原微生物和病毒，引发呼吸道职业病、传染病甚至全球性大流行。当前主流的纤维过滤材料虽为最有效的个人防护手段，但其微米级纤维堆叠结构存在固有缺陷：对PM0.3的防护效率普遍低于99%且防护稳定性和耐久性欠佳，厚重结构阻碍气流、湿气和热量传递，严重影响热湿舒适性。更严峻的是，一次性非降解滤料的大量废弃已造成超过800万吨的塑料垃圾，给生态系统和生物体带来持续危害。因此，开发一种兼具稳定超高效防护、热湿舒适和环境友好的新型空气过滤材料迫在眉睫。

针对上述挑战，福州大学赖跃坤教授、黄剑莹教授、安徽农业大学朱天雪教授和闽江大学杨宇晨副教授‌合作，提出了一种普适性射流多级分裂静电纺丝策略，成功制备出多种可生物降解的跨尺度纤维膜（TSFM）。该材料通过超细纳米纤维、纳米纤维和亚微米纤维的分级交织堆叠，构建出曲折的拦截网络和丰富质能传输通道，不仅实现对PM0.3稳定超高效过滤（≥99.999%）、还兼具优异的热湿舒适性，且聚合物消耗相比商用N95口罩降低99%。这一工作有望推动先进纺丝技术的迭代升级以及高性能可持续过滤分离材料的发展。相关论文以“Sustainable trans-scale fibrous membranes for stable ultra-protective air filtration”为题，在线发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。

图1. 跨尺度纤维膜和亚微米纤维膜的形成原理、特征及应用。（a）普适性多级分裂静电纺丝策略制备跨尺度纤维膜的示意图；（b）传统静电纺丝策略制备亚微米纤维膜的示意图；（c）跨尺度纤维膜的超防护、超舒适和可持续特性示意图。

图2. 前驱体溶液特性及射流劈裂行为与特征。（a）不同HACC浓度前驱体溶液的电导率、（b）表面张力、（c）粘度；（d）含HACC和不含HACC的PBS、PLA和PA56溶液粘度随剪切速率变化；（e）含HACC和不含HACC的PBS、PLA和PA56溶液的储能模量；（f）含HACC和不含HACC的PBS、PLA和PA56溶液的损耗模量；（g）静电纺丝过程中射流分裂的光学图像；（h）不同种类分裂纤维的扫描电镜图像。

研究团队选用三种生物基聚合物——聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、聚乳酸（PLA）和生物基聚酰胺56（PA56）作为原料，通过引入带正电荷的壳聚糖季铵盐（HACC）和低表面张力溶剂六氟异丙醇（HFIP），设计出新型聚电解质前驱体溶液体系（图1a）。HACC含有羟基、醚键和季铵基团，可与生物基聚合物形成氢键和静电相互作用，均匀分割缠结的大分子链网络，同时解离出自由离子提高溶液电导率。HFIP的两个三氟甲基基团则可有效降低溶液表面张力。实验表明，随着HACC浓度增加，溶液电导率线性提升，表面张力维持较低水平，粘度同步增大，且表现出剪切变稀行为，储能模量和损耗模量均显著升高（图2a–f）。这些协同效应促使传统单股射流在主射流基础上逐级分裂出具有直径梯度的不同射流，并最终分别演化为亚微米纤维（>100 nm）、纳米纤维（50–100 nm）和超细纳米纤维（<50 nm），实现了跨尺度纤维膜的一步法可控构建（图2g–h）。

图3. 各种纤维膜的形貌、结构和力学性能。（a）PBS SFM、（b）PLA SFM、（c）PA56 SFM的扫描电镜图像；（d）PBS TSFM、（e）PLA TSFM、（f）PA56 TSFM的扫描电镜图像；（g）PBS TSFM、（h）PLA TSFM、（i）PA56 TSFM的截面扫描电镜图像；（j）PBS SFM、PLA SFM和PA56 SFM的纤维直径分布；（k）PBS TSFM、PLA TSFM和PA56 TSFM中超细纳米纤维、纳米纤维和亚微米纤维的直径分布；（l）各种SFM和TSFM的孔径分布；（m）各种SFM和TSFM的BET等温线；（n）各种SFM和TSFM的XRD图谱；（o）各种纤维膜的拉伸应力-应变曲线。

扫描电镜图像清晰展示了不同纤维膜的形貌特征（图3a–f）。普通的PBS、PLA和PA56电纺纤维直径均超过200 nm，呈亚微米级分布（图3j）。而引入HACC后，三种聚合物体系均形成了由超细纳米纤维（0–50 nm）、纳米纤维（50–100 nm）和亚微米纤维（100–300 nm）分级组成的跨尺度纤维网络（图3k）。膜截面图像进一步显示，TSFM具有超薄多孔结构，孔径曲折且高度连通（图3g–i）。孔径分布测试表明，传统电纺亚微米纤维膜孔径大于1 μm，而PBS、PLA和PA56 TSFM的平均孔径分别缩小至0.715、0.847和0.636 μm（图3l）。BET比表面积测试显示，TSFM比表面积是传统电纺膜的3倍以上（图3m）。X射线衍射分析表明，TSFM结晶度显著提升，归因于HACC诱导的射流拉伸和纳米限域效应下分子链的紧密排列（图3n）。力学拉伸测试结果显示，TSFM抗拉强度大幅提高，PLA和PA56 TSFM的拉伸性能已超越商用熔喷非织造布，PBS拉伸性能与熔喷非织造布接近，为实际应用提供了可靠的结构支撑（图3o）。

图4. TSFM的过滤性能及机理。（a）各种TSFM对PM0.3、PM0.5、PM1.0和PM3.0的过滤效率；（b）气流速率32 L/min下各种TSFM的过滤阻力；（c）气流速率对TSFM过滤效率和阻力的影响；（d）气流速率为95 L/min下各种空气过滤材料对PM0.3的去除效率；（e）本工作与近期报道的PM0.3过滤效率和阻力对比；（f）本工作与近期报道的PM0.3过滤效率和品质因子对比；（g）PBS TSFM、（h）PLA TSFM、（i）PA56 TSFM在过滤循环中的PM0.3过滤效率和阻力；（j）捕获PM后TSFM过滤材料的扫描电镜图像；（k）TSFM的PM过滤机理示意图。

在过滤性能测试中，随着HACC浓度升高，三种纤维膜对PM0.3的过滤效率和气流阻力同步增加，品质因子（QF）显著优化。PBS、PLA和PA56 TSFM在最优HACC浓度下分别获得0.143、0.136和0.122的最高QF值。尤为关键的是，三种TSFM对PM0.3的去除效率均超过99.999%，对PM0.5、PM1.0和PM3.0的捕获效率达到100%，而过滤阻力保持在100 Pa以下（图4a–b）。当气流速率从16 L/min提升至95 L/min时，商用医用口罩、KN95和N95口罩的过滤效率显著下降，阻力急剧上升，而TSFM仍维持≥99.999%的稳定捕获效率，品质因子大幅领先（图4c–d）。与近期文献报道相比，本工作制备的TSFM在PM0.3去除效率、过滤阻力和品质因子方面均展现出显著的综合优势（图4e–f）。经30次连续过滤循环测试，所有TSFM仍能拦截超过99.996%的PM0.3，阻力维持在100 Pa以下，展现出卓越的长期稳定性（图4g–i）。机理分析表明，商用驻极体熔喷纤维表面电位超过-1 kV，而TSFM表面电位接近0 V，说明其完全依赖非静电物理拦截机制——亚微米级孔隙截留PM1.0和PM3.0等粗颗粒，纳米和超细纳米纤维则通过布朗扩散效应优先捕获PM0.3和PM0.5，实现了表面过滤与深层过滤的协同增效（图4j–k）。

图5. TSFM过滤材料的佩戴舒适性。（a）各种空气过滤材料的厚度对比；（b）热量和湿气通过TSFM过滤材料从人体皮肤快速传递的示意图；（c）热量和湿气通过熔喷纤维过滤材料从人体皮肤缓慢传递的示意图；（d）各种纤维膜的动态水接触角；（e）各种TSFM透气性与PM0.3过滤效率的关系；（f）各种空气过滤材料的透气性对比；（g）各种空气过滤材料的水蒸气透过率对比；（h）各种TSFM在连续呼吸循环中的表面温度变化；（i）各种TSFM过滤材料和SFM过滤材料在连续呼吸循环中的表面温度变化范围；（j）各种空气过滤材料的红外热成像图像。

佩戴舒适性评估方面，商用熔喷纤维口罩厚度超过140 μm，对PM0.3过滤效率不足99%；而TSFM在厚度仅约1.2 μm的条件下即实现超高效防护（图5a）。TSFM的分级堆叠结构提供了亚微米级孔径、高比表面积和曲折拦截网络，同时超薄厚度和丰富连通的传输通道有利于热量和湿气快速从皮肤表面扩散至环境空气中（图5b–c）。HACC的引入增强了膜材料亲水性，动态水接触角显著降低（图5d）。透气性测试显示，随着PM0.3过滤效率从99.5%提升至99.999%，TSFM透气性从>200 mm/s逐步降至>100 mm/s，但仍显著优于传统电纺纤维膜（图5e–f）。水蒸气透过率方面，TSFM远高于传统电纺膜和商用口罩，表明其优异湿气传输能力（图5g）。在连续呼吸循环测试中，TSFM表面温度变化范围为22–25°C，明显高于其他电纺膜和商用口罩，红外热成像直观证实了其高效散热性能（图5h–j）。这些结果共同表明，超薄多孔的TSFM在实现超强防护的同时，兼具低过滤阻力、优异透气性和高效热湿传递能力，成功破解了过滤效率与佩戴舒适性之间的矛盾。

图6. TSFM过滤材料的可持续性评价。（a）不可降解商用聚丙烯过滤材料的危害示意图；（b）TSFM过滤材料与N95过滤材料的对比示意图；（c）TSFM过滤材料的自然降解示意图；（d）本工作与近期报道的PM0.3过滤效率和基重对比；（e）各种空气过滤材料的基重对比；（f）使用各种纤维膜制造20亿只口罩的聚合物消耗量；（g）PBS TSFM和PLA TSFM通过土壤埋藏的自然降解。

可持续性评估显示，三种TSFM的基重均低于0.5 g/m²，约为传统电纺膜和商用过滤材料的26–145分之一（图6a–e）。按全球日需求20亿只口罩计算，商用医用、KN95和N95口罩分别需消耗1378、2302和2650吨聚合物，而PBS、PLA和PA56 TSFM分别仅需20、25和18吨，相比N95口罩节省原材料超过99%（图6f）。经6个月土壤埋藏降解实验，PBS和PLA TSFM大部分面积已降解，而聚丙烯纤维基底保持完整，证实了生物基TSFM可在温暖湿润自然环境中通过酶解和微生物作用最终分解为CO₂和H₂O，避免了白色污染问题（图6g）。

该研究提出的射流多级可控分裂静电纺丝策略，利用常规多针头静电纺丝设备即可实现一步法规模化制备，具有良好的普适性和可放大性。所制备的跨尺度纤维膜集稳定超防护性能（PM0.3过滤效率>99.999%）、优异佩戴舒适性（阻力<100 Pa，透气性>110 mm/s，水蒸气透过率>6.8 kg/m²/day）和卓越环境可持续性（聚合物消耗降低99%，完全生物降解）于一体。该策略有望驱动先进电纺丝技术的快速发展，所制备的TSFM将推动新一代过滤分离材料的可持续发展，有效缓解一次性防护材料造成的白色污染问题。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74514-x。