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东华大学丁彬教授课题组:可充电聚酰胺基N-卤胺纳米纤维膜用于高效抗菌口罩
2019/4/10 15:45:14 易丝帮 0 条评论 邀请点评

  禽流感、寨卡病毒、严重急性呼吸综合征、埃博拉等新发传染病引发的突发公共卫生事件,在世界各地造成了难以估量的痛苦和死亡。根据世界卫生组织的报告,西非爆发的最严重的埃博拉疫情时,确诊和疑似病例达2.8万例,死亡病例达1.1万例。作为对抗新发传染病的一线人员,医护人员的感染风险明显高于一般人群。在疫区,个人防护用品,特别是具有捕捉病原体能力的口罩,对降低医护人员发生感染具有重要作用。由于口罩内截获的病原体仍然存活,容易造成交叉感染,很难完全避免医护人员发生感染。因此,开发具有高效抑菌的材料,为医护人员提供有效的保护已迫在眉睫。

  N-卤胺抗菌材料因具有抗菌性强、稳定性高、易保存、可再生、无腐蚀、无毒、廉价等优点,广泛应用于医疗器械、医院、水净化系统、食品包装、食物保鲜、卫生设施等多个领域。N-卤胺抗菌材料的抗菌机理为通过释放氯离子,在细菌细胞表面发生离子交换反应,从而破坏或阻止细胞正常的新陈代谢作用,促使细菌死亡。

  近日,东华大学丁彬教授课题组通过静电纺丝构建了可充电、高效抑菌的聚酰胺基N-卤胺纳米纤维膜空气过滤材料。首次揭示了聚合物的内在结构和纳米纤维的组装结构对氯化能力的协同作用。得益于单体中酰胺键比例高的协同效应和良好的纳米纤维结构,所制备的充电PA-6膜具有可充电氯化能力强、生物杀灭能力强、机械强度强、过滤性能稳定等综合性能。更有趣的是,负载大量污染物的膜可以通过氯化反应恢复到清洁状态,使材料具有可充电的抗菌效果和可再生过滤性能。相关研究成果以“Rechargeable polyamide-based N-halamine nanofibrous membranes for renewable, high-efficiency, and antibacterial respirators”为题目发表于Nanoscale Advances上,通讯作者为东华大学印霞副教授

图1 (a)具有可充电杀菌和可再生空气过滤性能的多功能NFMs设计过程示意图。原始(b) PA-6、(c) PA-66和(d) PA-610 NFMs的SEM图像。(e)不同PA膜的纤维(f)直径和(g)孔径。

  原料应能提供足够的酰胺基进行氯化;膜必须具有较大的比表面积、较小的孔径和较高的孔隙率,才能同时提高抗菌和空气过滤性能;N -卤胺结构膜具有方便实现可充电的抗菌活性和可再生空气过滤性能。

  为什么选择以PA为原料制备纳米纤维膜?

  作者阐述选择PA制备多孔(纳米纤维膜)NFMs,主要是由于PA具有易电纺丝的特性和丰富的酰胺基,在酰胺基上容易发生卤化反应,将氮-氢键(N-H)转化为具有高生物活性的氮-卤素键。

  卤素元素有多种,选择用氯的原因是什么?

  虽然卤素包括氯、溴和碘,但考虑到溴和碘键比氯更容易从膜上分离,导致不稳定的生物杀灭活性,本工作使用了氯。作者进一步阐释了充电机理,将制备好的PA NFMs浸入含500ppm次氯酸钠的溶液中,形成氮氯键(N-Cl)。当BR-NFMs与细菌接触时,N-Cl基团可以发挥氧化剂的作用,氧化细菌细胞中的化学基团(如蛋白质中的硫化物),完成N-Cl键向N-H键的转化。因此,直接将膜暴露在水中游离氯中,就可以对膜进行充电。

图2 (a)不同氯化时间,PA-6、PA-66、PA-610 NFMs、PA-6 MFM活性氯含量的变化。(b)每单位重量所计算的酰胺基数量和酰胺基的反应比。(c) PA-6、PA-66和PA-610 NFMs的反应速率和(d)芯吸高度。(e)单个纤维和纤维束件对氯化过程的协同作用的示意图。

图3 活性氯含量PA-6 NFM具有(a)不同pH值的氯化溶液,(b)贮存时间长。(c) PA-6 NFM在重复氯化和淬火5个周期内的可充电行为。(d)原始和带电的PA-6膜的机械性能。

图4 在COD分别为(a) 0和(b) 1000的条件下,PA-6 NFM对大肠杆菌的抗菌效果。(c)抗菌PA-6膜对PM0.3的长期过滤性能。(d)抗菌PA-6 NFM在15个周期内对PM2.5和CADR的去除率及其可重用性。插图是模拟抗菌PA-6膜的颗粒捕获过程。(e)循环试验后带电PA-6 NFM的SEM图像。(f) PA-6 NFM经氯化溶液清洗后的SEM图像。

  论文链接:https://doi.org/10.1039/C9NA00103D

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文章关键词: 过滤吸附 , 静电纺丝
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