酶促发电自灭菌口罩：基于生物燃料电池的可持续抗菌技术研究

这篇研究开创性地将生物燃料电池（BFC）集成到导电织物口罩中，通过乙醇脱氢酶（ADH）和胆红素氧化酶（BOD）催化反应产生微安级电流，实现口罩表面细菌（如大肠杆菌和希瓦氏菌）的高效灭活（20 μA电流下死亡率达40%-60%）。该技术利用聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）提升导电性，结合聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶传递质子，解决了传统可重复使用口罩缺乏即时灭菌能力的痛点，为可持续个人防护装备开发提供新范式。

　　

引言

新冠疫情凸显了口罩在阻断病原体传播中的重要性，但大量废弃口罩带来环境负担。可重复使用口罩因缺乏快速灭菌手段难以推广。研究团队创新性地将生物燃料电池（BFC）与导电织物结合，开发出能自主产生灭菌电流的"电动口罩"。该技术利用乙醇脱氢酶（ADH）催化呼吸中的乙醇氧化，胆红素氧化酶（BOD）介导氧还原反应，通过聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）修饰的导电区域传递电流，实现20 μA级微电流持续灭菌。

电动口罩设计与工作机制

口罩结构包含三个关键组件：

1. 生物阳极：亚甲基绿（MG）修饰的酸处理多壁碳纳米管（A-CNT）纤维，负载ADH酶催化乙醇氧化，反应中伴随NAD⁺/NADH转化；
2. 生物阴极：单壁碳纳米管（S-CNT）纤维固定BOD酶，促进氧还原生成水；
3. 导电界面：PEDOT:PSS涂层形成电子通路，PAAm水凝胶构建质子传递通道。

当使用者呼吸时，呼出气体中的乙醇在ADH作用下氧化产生电子，通过PEDOT:PSS网络传递至阴极，形成完整回路。实验显示，3:3电极比例下系统最大输出达15.0 μW，弯曲状态性能提升76%。

电化学性能验证

循环伏安测试表明：

• 生物阳极在200 mM乙醇溶液中产生900 μA氧化电流（+0.1 V vs Ag/AgCl）；
• 搅拌条件下生物阴极氧还原电流达380 μA（-0.2 V）；
• 全电池开路电压0.51 V，PAAm体系中最大功率4.6 μW。

导电性测试显示，添加乙二醇和（3-缩水甘油醚氧基丙基）三甲氧基硅烷（GOPS）的PEDOT:PSS配方使织物电导率提升至0.49 S m^-1。

微电流灭菌机制

通过ITO基底实验揭示：

• 膜电位破坏：20 μA电流使大肠杆菌和希瓦氏菌死亡率分别达41.5%和60.6%，电压敏感染料荧光强度骤增5.7倍；
• 剂量效应：40 μA时死亡率进一步提升，证实电流直接破坏细菌膜完整性；
• 种属差异：电活性菌（希瓦氏菌）更易受电流影响，可能与跨膜电子传递系统有关。

实际口罩测试中，连接LED可视化验证电流输出，经洗衣机洗涤后仍保持68 nA/min的稳定衰减率。

应用前景与展望

该技术突破传统口罩依赖外部电源的局限，实现：

1. 即时防护：佩戴时持续产生灭菌电流；
2. 环境友好：减少一次性口罩废弃物；
3. 安全兼容：微电流符合医疗设备安全标准（IEC 60601）。

未来可拓展至其他病原体（如病毒、真菌）灭菌，并探索利用呼气挥发性有机物（VOC）作为燃料来源。这项研究为融合生物催化、柔性电子和感染控制的智能穿戴设备开辟了新途径。

（注：全文数据均源自原文实验部分，未添加非文献支持内容）