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为解决空气污染及微生物传播威胁，研究人员利用数字光处理（DLP）3D 打印技术开发抗菌过滤器，结合计算流体动力学（CFD）分析结构性能，经表面功能化后测试显示，胍丁胺功能化 PEGDA/GMA 基过滤器显著降低细菌活性，为多功能过滤器开发提供新方向。
在科技飞速发展的今天，空气如同一张无形的网，既滋养着生命，却也暗藏危机。日益严重的空气污染，像一个潜伏的杀手，不仅释放着有害气体和固体颗粒物，这些颗粒物中还裹挟着病毒、细菌、花粉等 “危险分子”，时刻威胁着人类的健康。从令人谈之色变的禽流感、新冠疫情，到长期暴露引发的哮喘、肺癌等疾病，空气中的微生物传播与污染问题，如同高悬的达摩克利斯之剑，让人们对洁净空气的需求愈发迫切。传统的空气过滤材料在面对复杂的微生物威胁时，逐渐显露出局限性，如何开发出更高效、可持续且具备抗菌性能的过滤系统，成为了科研人员亟待攻克的难题。
在这样的背景下，意大利的研究人员开展了一项极具创新性的研究，相关成果发表在《Applied Materials Today》。他们将目光聚焦于 3D 打印技术，试图利用其设计的灵活性与制造的精准性，打造出能够应对当前挑战的抗菌过滤器。
研究人员主要采用了数字光处理（DLP）3D 打印技术、计算流体动力学（CFD）模拟、表面功能化技术（包括传统加热和微波辅助功能化）以及细菌活性测试等关键技术方法。
过滤器结构设计与 CFD 模拟
研究人员设计了两种过滤器结构（A 和 B）。结构 A 由若干相互旋转的相同层叠加而成，主要沿轴向过滤；结构 B 采用一系列同心穿孔壁，可过滤径向或周向流动。通过 CFD 模拟在不同流速（0.1-1000 ml/min）和厚度（1-4 层）下的流体动力学行为，发现结构 A 压力损失较低，流体路径更高效稳定；结构 B 虽能增加颗粒与壁面碰撞机会，提升捕获效率，但压力损失更高，尤其是在多层结构中。
3D 打印与表面功能化
使用 DLP 技术成功打印出两种结构的过滤器，材料选用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）、丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）。随后对过滤器进行表面功能化，采用精氨酸和胍丁胺作为功能分子，对比了传统加热（CH）和微波辅助（MW）两种功能化方法。FTIR 光谱和 EDX 分析证实，微波辅助功能化在更短时间内（仅需几分钟，相比传统加热的数小时）实现了与传统方法相当的功能化程度，且能均匀引入氮元素，表明功能分子成功接枝到材料表面。接触角测量和 TGA 分析显示，功能化后材料表面亲水性和热稳定性未受显著影响，仅 PEGDA/AA - 精氨酸样品热降解模式略有改变。
抗菌性能测试
对功能化后的过滤器进行抗菌测试，以革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）为测试对象。结果表明，胍丁胺功能化的 PEGDA/GMA 基过滤器（PGMA-AG-C 和 PGMA-AG-M）表现出显著的抗菌效果，死菌面积占比显著高于活菌，且微波辅助功能化的过滤器抗菌效果更稳定。而其他功能化过滤器因细菌黏附性差，难以量化抗菌性能，推测与表面电荷、pH 值等因素影响细菌初始黏附有关。
这项研究通过将 3D 打印技术与表面功能化相结合，成功开发出具有抗菌性能的过滤器。DLP 技术的高精度和设计灵活性，使得复杂几何结构的过滤器能够精准制造，而微波辅助功能化技术则以高效、节能的优势，为材料表面改性提供了新途径。其中，胍丁胺功能化的 PEGDA/GMA 基过滤器在抗菌测试中的出色表现，为空气过滤领域提供了新的解决方案。该研究不仅验证了 DLP 技术在制备多功能过滤器件中的潜力，还为开发可定制化、高效抗菌的空气处理设备奠定了基础，有望在医疗、工业等对空气质量要求高的领域发挥重要作用，为守护人类呼吸健康开辟新的路径。
