双功能电纺PAN/ε-聚赖氨酸复合膜：高效过滤PM2.5和PM10颗粒的同时具备抗菌保护性能

《ACS Omega》：Bifunctional Electrospun PAN/ε-Polylysine Composite Membranes for High-Efficiency PM2.5 and PM10 Filtration with Antimicrobial Protection

静电纺丝聚丙烯腈纳米纤维复合膜协同实现PM2.5/PM10高效过滤与广谱抗菌，优化条件（10 wt% PAN，15 min电纺）下过滤效率达99.39%±0.09%和99.50%±0.16%，压力损失175±5 Pa。ε-聚赖氨酸（ε-PL）通过PVA介导的表面修饰使亲水接触角从108°降至48°，对E coil、S aureus等6种病原体均实现浓度依赖性杀菌，10 mg/mL ε-PL可使菌落数下降>6 log。相较于商用口罩（PM2.5过滤效率66-98%），该膜在更轻量化（94.01±1.95 g/m2）条件下达到更高性能。

　　在当今社会，空气污染已成为一个影响全球公共健康的重要问题。特别是在发展中国家，由于人类活动的增加，空气质量的恶化对人们的身体健康构成了严重威胁。其中，颗粒物（Particulate Matter，简称PM）被认为是危害最大的污染物之一。PM是一种复杂的混合物，包含微小的固体颗粒和液态微滴，这些颗粒物可能携带多种有害物质，包括无机物和有机物。根据颗粒的空气动力学直径，PM被划分为不同的类别，其中PM_2.5（直径≤2.5微米）和PM₁₀（直径≤10微米）对健康的影响尤为显著。PM₁₀因其较大的尺寸，可能进入上呼吸道并沉积在支气管区域，而PM_2.5则由于其微小的体积，能够深入肺部的肺泡区域。研究表明，长期暴露于这两种颗粒物中会显著增加患心血管疾病、呼吸系统疾病和肺癌的风险，从而提高疾病的发病率和死亡率。

除了人为产生的PM，自然界的污染物如花粉、真菌孢子和生物气溶胶同样对空气质量产生影响。生物气溶胶是指由完整的微生物、其碎片或代谢产物构成的微小颗粒，它们在空气中传播时可能成为病原体传播的媒介。这些病原体是多种呼吸系统感染性疾病的主要致病因素，包括过敏性鼻炎、哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）、流感以及严重急性呼吸系统综合症（SARS）等。因此，防止PM和生物气溶胶的传播，对于保护公共健康至关重要。

为了应对这些挑战，科研人员一直在探索高效过滤技术，以实现对PM_2.5和PM₁₀的捕获，同时减少空气传播的病原体。空气过滤技术因其简单性、多功能性和高效性，成为解决这一问题的首选方案。其中，纤维滤膜，特别是用于PM_2.5和PM₁₀过滤的纤维滤膜，因其可大规模生产、成本效益高和能耗低等优点而受到广泛研究。常见的纤维滤膜类型包括静电纺丝滤膜、熔喷滤膜、纺粘滤膜和针刺滤膜，每种类型都有其独特的性能，适用于不同的应用场景。

静电纺丝技术因其纳米级的孔结构、广泛的表面积和小纤维直径，在空气过滤领域展现出显著的优势。这些特性使得静电纺丝纤维在捕获细颗粒和粗颗粒方面均表现出色，从而成为高级空气净化系统的关键组成部分。此外，静电纺丝纤维的可定制性使其能够集成活性成分，如抗菌剂或污染物中和剂，以满足特定应用的需求。例如，一些研究通过在静电纺丝纤维中嵌入抗菌材料，实现了对微生物的高效去除。

近年来，功能化纳米纤维膜的研究取得了重要进展，其中非对称结构（如Janus结构）和分级设计被广泛应用于同时去除颗粒物和病原体。这些多功能结构通常由不同层组成，每层针对特定的污染物进行优化，从而通过结构和化学的互补性实现协同过滤效果。受此启发，本研究开发了一种多层复合膜系统，结合了静电纺丝纳米纤维和表面固化的ε-聚-L-赖氨酸（ε-PL）抗菌涂层，以实现对PM_2.5和PM₁₀的高效捕获，同时提供抗菌保护。

聚丙烯腈（PAN）因其优异的机械强度和化学稳定性，被广泛用于空气过滤纳米纤维膜的制备。PAN对大多数溶剂、大气条件、微生物和光辐射均表现出良好的抗性，这使其成为空气过滤应用的理想材料。此外，通过超声熔接和热熔纤维粘合技术，可以将多个材料层融合，从而增强物理和化学过滤性能。例如，N99/FFP2口罩采用三层结构，包括疏水性的聚丙烯纺粘外层用于排斥气溶胶、静电荷的多层聚乙烯熔喷中层用于细颗粒过滤，以及柔软、吸水的聚丙烯纺粘内层用于提升佩戴舒适度。

为了抑制空气传播和微生物繁殖，研究人员开发了多种抗菌膜过滤材料，这些材料通常使用不同的消毒剂，如季铵盐类化合物（QACs）、金属及其盐类、天然抗菌剂、植物提取物和双胍类化合物。这些抗菌剂通过破坏微生物细胞壁的完整性、干扰细胞膜功能和抑制核酸合成，从而导致细胞死亡。本研究特别关注ε-PL，这是一种来自双胍类的天然抗菌肽，因其广泛的抗菌谱和对人体的低毒性而受到重视。

本研究的目标是通过开发一种多层膜过滤系统，提升PM_2.5和PM₁₀的捕获效率。同时，通过集成ε-PL抗菌涂层，进一步增强过滤材料的抗菌性能，从而创建一种双功能的空气净化平台。为了实现这一目标，PAN纳米纤维被静电纺丝沉积在纺粘、熔喷和多层（纺粘-熔喷-纺粘）基材上。研究还评估了不同静电纺丝时间对过滤性能的影响，以确定最佳的纳米纤维沉积时间。

在材料和方法部分，首先对PAN纳米纤维的制备条件进行了系统研究，包括PAN浓度和静电纺丝时间。通过调整PAN溶液的浓度，研究者观察到纤维直径和表面光滑度的变化。当PAN浓度为7%时，纤维表面出现了明显的珠状结构；随着浓度的增加，珠状结构逐渐减少，最终在10%浓度下获得均匀且细小的纳米纤维。此外，研究还评估了不同静电纺丝时间对纤维沉积厚度和过滤性能的影响，以确定最佳的沉积时间。

为了评估复合膜的物理性能，研究使用扫描电子显微镜（SEM）观察纳米纤维和复合膜的形态。通过图像分析软件，研究者测量了纤维的直径，并记录了不同基材在沉积纳米纤维前后的基础重量变化。此外，研究还对复合膜的过滤性能进行了测试，使用香薰烟雾作为颗粒源，生成30-1000纳米范围内的颗粒物。测试过程中，通过气泵输送颗粒物，并使用流量计控制气流速度为8.0升/分钟，以模拟人类的呼吸条件。颗粒穿透率通过粒子计数器（CEM, Model DT-9881）进行测量，同时记录过滤材料两侧的压力差。过滤效率和质量因子（Q_F）被用作评估过滤性能的关键指标。

质量因子Q_F定义为颗粒穿透率与压力差的比值，其最大化反映了过滤效率和气流阻力之间的最佳平衡。研究发现，随着纳米纤维沉积时间的增加，过滤效率逐渐提高，但压力差也随之上升，这可能会影响佩戴的舒适度。因此，研究确定了15分钟的静电纺丝时间作为最佳方案，既实现了高颗粒捕获效率，又保持了可接受的气流阻力。

此外，研究还评估了不同基材在沉积纳米纤维后的过滤性能。结果显示，沉积10% PAN纳米纤维的复合膜在PM_2.5和PM₁₀的去除效率显著提高。相比之下，商业多层口罩虽然具有较高的过滤效率，但其基础重量通常较高，而本研究开发的复合膜在较低的基础重量下实现了更高的过滤效率。这表明，过滤效率不仅取决于层数和基础重量，还与纤维直径、材料组成和孔结构密切相关。

为了增强过滤材料的抗菌性能，研究者通过在纺粘层上预涂ε-PL，再沉积PAN纳米纤维。由于纺粘材料本身具有疏水性，研究使用聚乙烯醇（PVA）作为粘合剂，以促进ε-PL在纺粘表面的附着。ε-PL溶液在不同浓度（2、4、6、8、10 mg/mL）下进行预涂，结果显示，随着ε-PL浓度的增加，纺粘表面的水接触角逐渐减小，表明其疏水性转变为亲水性。这种转变可能与PVA中的羟基（-OH）和ε-PL中的氨基（-NH₃⁺）在纺粘表面形成的氢键有关。

为了评估抗菌性能，研究使用了盘扩散法，测量了不同浓度的ε-PL涂层对革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和枯草芽孢杆菌）和革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、鲍曼不动杆菌和多重耐药鲍曼不动杆菌（MDR-AB））的抑制区直径。结果显示，随着ε-PL浓度的增加，抑制区直径显著扩大，表明抗菌活性增强。值得注意的是，对于某些菌株，如MRSA和鲍曼不动杆菌，较高的ε-PL浓度能够更有效地减少细菌数量，甚至在24小时内实现超过6个对数的减少，表明其具有显著的杀菌效果。

此外，研究还进行了时间-杀灭试验，以评估ε-PL涂层对不同细菌的长期杀菌效果。试验中，细菌悬液被接种在滤膜上，并在不同时间点（0、6、12、24小时）测量存活菌落数。结果显示，随着ε-PL浓度的增加，细菌数量迅速减少，且在24小时内基本不再增长。这一结果表明，ε-PL不仅具有即时的抗菌效果，还能在一定时间内持续发挥杀菌作用。

本研究的结论表明，通过静电纺丝PAN纳米纤维并结合表面固化的ε-PL抗菌涂层，可以开发出一种具有双功能的空气过滤膜。这种膜在捕获PM_2.5和PM₁₀方面表现出色，同时具有良好的抗菌性能。研究还发现，过滤效率和透气性之间的最佳平衡可以通过优化静电纺丝时间和纳米纤维沉积厚度来实现。这一成果为个人防护装备、中央空调系统和医疗空气净化提供了新的解决方案，能够同时去除细颗粒和生物气溶胶，具有重要的应用前景。