基于MOF的耐久抗菌弹性密封胶开发及其在建筑环境微生物净化中的应用研究

《Progress in Organic Coatings》：Development of durable MOF-based antimicrobial elastomeric sealant for effective microbial decontamination in building environments

为解决建筑环境中弹性密封胶易受微生物污染导致室内环境质量下降和建筑耐久性降低的问题，研究人员开展了将ZIF-8复合材料与硅酮基质结合的功能化密封胶研究。该密封胶通过缓释丙环唑和原位生成活性氧(ROS)的双重抗菌机制，在改性ASTM G21标准下实现最高抗真菌等级(0级无生长)，并在办公建筑淋浴间两个月的现场模拟测试中使细菌菌落形成单位(CFU)减少97%以上并完全抑制真菌生长，为高性能抗菌建筑材料提供了实用有效的解决方案。

　　

在建筑环境的日常维护中，一个看似微小却影响深远的问题常常被忽视——弹性密封胶的微生物污染。作为建筑结构中广泛使用的材料，密封胶在厨房、卫生间等潮湿环境中特别容易滋生微生物，这不仅威胁 occupants（使用者）的健康，还会加速材料老化，增加维护成本。传统的抗菌密封胶主要依赖化学抑制剂的简单混合，但这类产品往往存在有效成分过早流失、抗菌持续时间短等局限性。当抗菌剂只是简单地与基质物理混合时，它们会快速且不可控地浸出，导致抗菌效果难以持久。这一行业痛点促使研究人员寻求更智能、更持久的解决方案。

正是在这样的背景下，Jahyun Nam、Kyung-Min Yeon和Jungbae Kim等研究人员在《Progress in Organic Coatings》上发表了一项创新研究，他们成功开发出一种基于金属有机框架(MOF)的耐久抗菌弹性密封胶，为建筑环境的微生物净化提供了新的思路。这项研究不仅解决了传统产品的技术瓶颈，还通过巧妙的材料设计实现了双重抗菌机制，为高性能建筑材料的开发树立了新标杆。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先通过将有机抑制剂丙环唑(propiconazole)与ZIF-8前体共同合成，制备了具有抗菌功能的MOF纳米复合材料；其次开发了使用硬脂酸的优化分散方案，确保纳米材料在商业聚合物基质中的均匀混合；最后通过标准实验室测试(ASTM G21)和为期两个月的办公建筑淋浴间现场模拟测试，全面评估了功能化密封胶的性能。

Preparation of MOF-based nanocomposite

研究人员成功制备了基于沸石咪唑酯框架-8(ZIF-8)的纳米复合材料。在合成过程中，由于丙环唑水溶性有限，其水分散体会形成平均直径为149.3纳米的乳液。加入锌前体(ZnSO₄·7H₂O)后，平均直径增至196.7纳米，而最终形成的ZIF-8复合材料平均粒径为172.4纳米，表明丙环唑被成功封装到ZIF-8结构中。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析证实了丙环唑的特征峰出现在ZIF-8复合材料中，X射线衍射(XRD)图谱显示复合材料保持了ZIF-8的晶体结构，同时丙环唑的特征峰消失，进一步证明了成功封装。

Characterization of ZIF-8 based composite

对ZIF-8基复合材料的详细表征显示，该材料不仅成功封装了抗菌剂，还保持了MOF特有的多孔结构。扫描电子显微镜(SEM)图像显示ZIF-8晶体具有典型的菱形十二面体形态，且尺寸分布均匀。比表面积和孔径分析表明，复合材料具有较高的比表面积和适宜的孔径分布，这为抑制剂的控释和活性氧(ROS)的生成提供了理想条件。热重分析(TGA)结果显示复合材料具有良好的热稳定性，适合在建筑环境中长期使用。

Antifungal performance evaluation

在抗真菌性能评估中，功能化密封胶表现出卓越的效果。根据修改后的ASTM G21标准进行测试，商业密封胶样品显示大量真菌生长(等级3)，而含有ZIF-8复合材料的密封胶则完全抑制了真菌生长(等级0)。这种显著的抗真菌效果归因于双重抗菌机制的协同作用：一方面，封装在ZIF-8中的丙环唑以可控方式持续释放；另一方面，ZIF-8的锌节点在潮湿环境中原位生成抗菌活性氧(ROS)。

Antibacterial performance in field mock-up test

更重要的是，研究人员进行了为期两个月的现场模拟测试，将功能化密封胶与商业产品在办公建筑淋浴间中进行平行比较。结果令人印象深刻：商业密封胶样品上的细菌菌落形成单位(CFU)为143 CFU，而功能化密封胶仅检测到4 CFU，细菌减少率超过97%。同时，功能化密封胶完全抑制了真菌生长，而商业对照样品则出现了明显的霉菌污染。这一实地验证不仅证实了实验室结果的可靠性，还展示了该材料在实际使用环境中的长期耐久性。

ROS generation capability

研究人员还通过ROS-Glo? H₂O₂检测试剂盒验证了ZIF-8复合材料的活性氧(ROS)生成能力。结果表明，ZIF-8在潮湿条件下能够持续产生过氧化氢(H₂O₂)等活性氧物种，这些高活性分子能够破坏微生物的细胞结构，从而增强抗菌效果。这种原位ROS生成机制与抑制剂控释机制相结合，构成了协同抗菌作用，确保了长期、高效的微生物抑制效果。

Conclusion

本研究成功开发出一种高性能、耐久的抗菌密封胶，通过将具有双重作用的ZIF-8纳米复合材料融入商业硅酮基质中实现。该密封胶的卓越性能源于协同作用机制，结合了封装丙环唑的持续释放和抗菌活性氧(ROS)的连续原位生成。通过标准抗真菌测试和真实建筑环境中的长期现场模拟测试验证了这一方法。功能化密封胶在改性ASTM G21标准下实现了最高抗真菌等级(0级无生长)，并在现场测试中将细菌CFU减少97%以上，同时有效消除真菌生长。

这项研究的重要意义在于为建筑行业提供了一种实用有效的策略，可用于开发具有长期耐久性的高性能抗菌建筑材料。与传统产品相比，这种基于MOF的密封胶不仅抗菌效果显著，而且具有更好的持久性，解决了化学抑制剂过早耗尽的技术难题。此外，研究中开发的材料兼容性和分散策略为其他功能性建筑材料的开发提供了有益参考。随着人们对室内环境质量要求的不断提高，这种创新材料有望在新建建筑和既有建筑改造中得到广泛应用，为创造更健康、更耐久的建筑环境做出重要贡献。