近期，吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室、未来科学国际合作联合实验室先进能源与环境材料团队在Angewandte Chemie International Edition上发表题为 “Polarity-dominated stable N97 respirators for airborne virus capture based on nanofibrous membranes” 的研究工作。该工作开发了基于化学改性表面的稳定N97纳米纤维呼吸过滤膜（TFPNM），提出了极性驱动的方案原理用于实现过滤膜材料对NaCl气溶胶(0.3 µm)和柯萨奇B4病毒(27-30 nm)气溶胶(0.3 µm)优异的过滤特性。同时，与传统的N95 防护口罩相比，TFPNM表现出了出众的稳定性，使得其在化学、热和辐射等多种消毒和灭菌处理方法下保持了良好、稳定的过滤特性。

在全球流行性新型冠状病毒（2019-nCoV）肆虐传播的严峻形势下，如何采取正确有效的措施保护自己免受病毒感染成为了关注的热点之一。目前2019冠状病毒的主要传播形式仍然是通过飞沫和接触被飞沫沾染的表面进行的，科学佩戴口罩成为了降低传感风险的最佳途径。N95口罩作为NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所，National Institute for Occupational Safety and Health）认证的防护类口罩，对空气动力学直径0.3µm的颗粒的过滤效率达到95%以上，被推荐用于预防流感、结核等微生物空气传播性疾病。其中，含有静电电荷的PP熔喷布（纤维直径在1-10µm）是N95口罩防护的核心材料，可以有效地增强其捕获空气中小颗粒物的能力（图一）。然而，静电电荷具有不稳定性，会在口罩佩戴期间发生降解，导致在使用过程中过滤效率持续下降。此外，在酒精、消毒液等溶剂体系中，熔喷布纤维的静电电荷量会大幅度下降，使其无法重复使用。

图一：N95 FFR和TFPNM的总体特征和微粒捕获机制示意图

图二：TFPNM的表面形貌和稳定性

鉴于此，先进能源与环境材料团队通过静电纺丝技术和表面涂层改性法成功制备了具有表面薄膜涂层的聚丙烯腈纳米纤维膜（TFPNM）（图二）。TFPNM具有均匀的核（400-500 nm）壳（50 nm）结构。其外层的薄膜涂层大大提高了PAN纤维的抗溶剂腐蚀性，使其可以在非质子性溶剂（例如DMF和DMSO）中稳定存在90天以上，并且在多种消毒处理条件下，纤维的本体结构仍然保持完整。

图三：TFPNM及多个品牌N95口罩过滤层的过滤特性

图四：cTFPNM针对病毒的过滤性能

该团队进一步对比了两种具有高表面极性的TFPNM（CTFPNM和cTFPNM）来比较其与N95 口罩过滤层用于0.3 µmNaCl气溶胶的过滤特性（图三）。CTFPNM和cTFPNM的过滤效率均达到N97级别，并能够在连续24小时的过滤过程中保持稳定。相比之下，以带电PP熔喷布为主的N95口罩过滤层在过滤过程中表现出明显的不稳定性。引入品质因数（QF）用于评估过滤膜的整体过滤特性（过滤效率和压力降）时可以发现，TFPNM的QF值更为稳定，在24小时的过滤后仍达到了0.28 Pa^-1，远高于其他N95口罩过滤层（0.06-0.19 Pa^-1）。同时，将cTFPNM部署在柯萨奇B4病毒(CV-B4)(27-30 nm)气溶胶中以评估其对病毒的过滤效率，cTFPNM能够保持N97级过滤效率高达24次过滤循环。同时CV-B4病毒的浓度在24小时过滤后可以下降两个滴度。

图五：五种不同消毒处理后过滤层整体过滤性能的演变

为了研究TFPNMs的可重复使用性，对过滤层进行了五种处理方法：(1)80 °C 热处理；(2)蒸汽（100 °C热基蛋白质变性）；(3)75% 酒精（蛋白质变性）；(4)家用氯基消毒溶液（细胞变性，有化学损伤）；(5)紫外线杀菌照射（DNA/RNA 破坏，UVC 254 nm）。cTFPNM在多种消毒手段分别10个处理周期的循环下，保持了稳定的纤维本体结构（压降保持在9-10 Pa）和过滤性能（过滤效率保持在N97水平不变）。相比之下，N95 FFR在第一次循环后经过各种处理显示出不同的过滤性能。尤其是基于溶液处理的过滤层，由于静电电荷的大量流失，其过滤效率急剧下降到50-80%，表现出较差的重复利用特性（图五）。 上述研究工作表明，基于表面改性得到的具有高表面极性的TFPNM可以通过表面极性驱动实现高效长效的过滤特性。同时，TFPNM出色的稳定性使得其在多种消毒体系中保持了纤维的本体结构和表面极性的完整，保证了过滤膜材料的重复使用次数，在为公众实现防护类口罩的健康和安全再利用方面显示出巨大的潜力。

相关的研究成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，第一作者为吉林大学在读博士生王琪菲，通讯作者为吉林大学于吉红教授。

全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202108951（请点击链接阅读全文）