Ag/SiO2增强聚乳酸纳米织物电子器件：兼具生物防护、辐射制冷与无线健康监测功能

本刊推荐：为解决夏季医用防护服热舒适性差、缺乏实时生物监测功能等问题，研究人员开发了具有主动抗菌、辐射制冷及摩擦电传感功能的智能生物防护复合纳米织物（BCNF）。该织物以可降解聚乳酸（PLA）为基底，通过掺杂Ag/SiO2纳米颗粒实现超高效颗粒过滤（PM 0.3过滤效率99.96%）、近100%抗菌率及13.6°C的辐射降温效果，并集成银纳米线（AgNW）导电层实现无线生理信号监测，为医疗防护领域提供创新解决方案。

　　

近年来，新发传染病呈现高传播性、高致病性及夏季传播趋势，对医用防护材料提出严峻挑战。传统防护服在夏季强日光照射下易积热，导致医护人员热应激风险增加，同时缺乏实时生理监测功能，难以应对突发健康事件。此外，病原体环境适应性增强，要求防护材料兼具高效物理过滤与主动抗菌能力。面对多重挑战，开发集超高效过滤、主动抗菌、日光辐射制冷及智能传感于一体的多功能防护材料成为迫切需求。

本研究通过静电纺丝技术构建了以生物可降解聚乳酸（PLA）为基底的智能生物防护复合纳米织物（BCNF）。关键技术方法包括：①采用原位还原法在PLA/二氧化硅（SiO₂）纺丝液中合成银纳米颗粒（AgNPs），形成具有珠状结构的Ag/SiO₂/PLA纳米纤维（Ag/SiO₂/PLANFs）；②通过负压过滤在纤维表面沉积银纳米线（AgNW）导电层，构建三明治结构；③利用水基聚氨酯（WPU）粘结层封装AgNW层，平衡织物透气性与功能性。实验通过紫外-可见-近红外光谱（UV-Vis-NIR）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征光学性能，采用接触角测量仪评估疏水性，并通过定制摩擦电测试系统量化传感性能。

材料设计与结构表征

BCNF由上下两层Ag/SiO₂/PLANFs及中间AgNW导电层构成（图1）。透射电子显微镜（TEM）显示，AgNPs以5.03 nm粒径均匀分布于PLA基质中，部分与SiO₂NPs形成杂化结构（图2a-d）。扫描电子显微镜（SEM）表明，AgNPs的掺杂使纤维直径从纯PLA的2.26 μm降至560.71 nm，且SiO₂NPs的引入形成珠状轮廓，增强日光散射（图2e-k）。X射线光电子能谱（XPS）证实Ag以金属态存在（Ag3d_5/2结合能366.99 eV），PLA化学结构未受破坏（图2r-t）。

多功能性能验证

热湿舒适性与防护性能：BCNF的透湿量达3691 g/(m²·24 h)，优于医用防护服（MPF）的2662 g/(m²·24 h)；静水压≥17.2 kPa，接触角达148.6°，表现出优异防水性（图3f-i）。梯度孔结构（PLANFs孔径＞500 nm，AgNW层孔径＜200 nm）使其对PM 0.3的过滤效率高达99.96%（图3j）。

辐射制冷能力：BCNF在0.25–2.5 μm波段太阳能反射率达91.3%（MPF仅为69.9%），在8–13 μm大气窗口波段红外发射率为92.3%（图4c-d）。户外实验中，BCNF覆盖的模拟皮肤温度较MPF降低13.6°C，理论辐射制冷功率达103.2 W/m²（图4f-g, 图5b-d）。

摩擦电传感性能：在40 N压力、2 Hz频率下，BCNF的开路电压（V_oc）达169.1 V，功率密度峰值达334 mW/m²（图6）。通过蓝牙数据采集系统（BT-DAQ），BCNF可无线监测关节弯曲、呼吸频率、咳嗽吞咽等生理活动，信号特征与动作幅度高度相关（图7-9）。

抗菌活性与生物相容性：当Ag含量为500 mg/kg时，BCNF对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的2小时杀灭率近100%（图10）。细胞毒性试验显示L929细胞存活率＞75%，符合ISO 10993-5标准（图11）。

结论与意义

本研究成功开发出一种兼具生物防护、主动抗菌、日光辐射制冷及无线传感四重功能的智能纳米织物。通过Ag/SiO₂掺杂与AgNW导电层设计，实现了材料光学性能、过滤效率及电输出能力的协同提升。BCNF在高温高湿环境下显著改善热舒适性，并通过自驱动传感系统实现远程生理监测，为医护人员在疫情常态化防控中的健康保障提供了创新材料解决方案。该成果发表于《Materials Reports: Energy》，为可穿戴电子与智能防护材料领域的发展提供了重要参考。