基于壳聚糖-二氧化钛-银纳米复合涂层的室内空气通风系统应用驱动开发研究

为解决后疫情时代室内空气净化技术对病原体清除不足的问题，研究人员开发了一种新型壳聚糖(Chitosan)-TiO2 -银纳米颗粒(AgNPs)复合涂层，通过构建模拟通风系统原型验证其在黑暗/光照条件下对金黄色葡萄球菌(S. aureus)的抑制效果。研究表明该涂层在黑暗和光照条件下分别实现83%-91%的微生物抑制率，为HVAC系统提供了广谱抗菌解决方案。

　　

随着COVID-19疫情持续影响，室内空气质量成为公共卫生关注焦点。传统通风系统虽能稀释空气污染物，但对微生物的清除效率有限，尤其是黑暗环境下的持续抗菌能力不足。机械通风系统(HVAC)中滋生的病原体如金黄色葡萄球菌(S. aureus)可能通过气溶胶传播，导致医院获得性感染。现有解决方案如HEPA过滤器和紫外线消毒存在维护成本高、光照依赖性强等局限，亟需开发新型抗菌涂层材料。

针对这一技术瓶颈，国外研究人员开发了创新性的壳聚糖(Chitosan)-TiO₂
-银(Ag)纳米复合涂层，并在《Results in Surfaces and Interfaces》发表研究成果。该团队通过构建50L模拟通风系统原型，首次将三种功能材料整合为单一复合涂层，系统评估其在16-30℃温度范围和黑暗/光照条件下的抗菌性能。

研究采用多学科交叉技术方法：通过溶胶-凝胶法制备纳米复合材料，利用SEM-EDS和XRD进行形貌与元素分析；采用工业级喷涂工艺将涂层均匀覆盖3米长通风管道；设计"空气输入-输出"双腔室模型模拟真实气流；选用临床分离的S. aureus RN4220菌株作为模式病原体；通过CFU计数定量评估抗菌效率。

【材料表征】SEM显示227±47 nm的均匀球形颗粒，EDS证实Ti和Ag元素在壳聚糖基质中均匀分布。XRD显示锐钛矿型TiO₂
特征峰(25.2°、37.7°)，同时检测到Ag纳米晶(111)晶面衍射峰。DLS测定zeta电位为+28.3 mV，表明材料稳定性。

【空气传输评估】在24小时实验中，涂层使"空气输出"腔室的细菌载量显著降低：白光下30℃时差异达87.5%，黑暗条件下仍保持83.3%抑制率。温度升高至30℃时，抗菌效率仅下降4.2个百分点，显示良好温度稳定性。

【直接接触实验】细菌与涂层接触24小时后，白光和黑暗条件下的抑制率分别为80%和60%。值得注意的是，红光照射(610-625 nm)也能激活TiO₂
的光催化活性，实现介于白光与黑暗之间的抗菌效果。

【成本分析】每批次涂层材料成本约164美元，其中乙醇溶剂占比近半，通过工业规模生产可进一步优化。

该研究突破性地证实了三元纳米复合材料在真实通风环境中的适用性。TiO₂
通过局部表面等离子体共振(LSPR)效应扩展光响应范围，AgNPs破坏微生物膜结构，壳聚糖则提供持久抗菌载体。相较于传统UV消毒，该涂层在黑暗条件下仍保持83%以上抑菌率，解决了HVAC系统夜间抗菌的痛点。

讨论部分指出，涂层表面均匀性和气流动力学可能影响实际应用效果。未来需通过CFD模拟优化管道设计，并评估长期使用后的性能衰减。尽管存在这些挑战，这种将纳米技术与建筑工程相结合的策略，为医院、养老院等高风险场所的空气安全管理提供了新思路，标志着抗菌材料从实验室向工程应用的重要跨越。