生物杀菌口罩（沉积光催化材料的自消毒）

DOI: 10.1021/acsnano.1c03249

在灾难性SARS-CoV-2（COVID-19）大流行期间，美国疾病控制与预防中心强烈推荐使用个人防护装备（PPE）进行自我保护。然而，PPE的大量使用给已使用口罩的回收和消毒带来了巨大的挑战。为了解决与旧口罩相关的塑料污染问题，在本工作中，研究者设计了一种可重复使用、可生物降解的抗菌口罩。通过静电纺丝聚乙烯醇（PVA）、聚环氧乙烷（PEO）和纤维素纳米纤维（CNF），然后酯化和沉积氮掺杂TiO2（N-TiO2）和TiO2混合物来制备口罩。在0.1模拟太阳光（200-2500nm，106 W m-2）或自然光照下仅10分钟，所制备的含有光催化N-TiO2/TiO2的口罩的细菌消毒率达到100％。因此，使用过的口罩可以通过光照射再生并重复使用，这是处理旧口罩最简便的技术之一。此外，PVA、PEO和CNF之间的分子间相互作用增强了所制备口罩的静电纺丝性能和力学性能，其弹性模量和拉伸强度分别比商用一次性口罩高10倍和2倍。透气性（空气流速为83.4 L min-1）和优异的颗粒过滤性能（98.7％）可归因于电纺纳米纤维的多孔结构以及强大的静电吸引力。即使佩戴120分钟后，本研究所制备的口罩仍具有良好的循环性能、耐磨性和稳定的过滤效率。因此，在COVID-19疫情持续蔓延的情况下，该口罩可作为当前口罩的绝佳替代品，以满足人们对可持续、可重复使用、环保且高效的PPE的迫切需求。

图1.可重复使用口罩的功能和结构设计概念。将可生物降解的PVA、PEO和纳米纤维素静电纺丝成纳米网，然后沉积光催化N-TiO2。具有固有生物降解性的PVA、PEO和纳米纤维素作为原材料，可赋予口罩环保性；具有优异机械强度的纳米纤维素用作机械增强剂。静电纺丝形成的纳米纤维结构可以实现优异的透气性和颗粒过滤性；更重要的是，通过面部光照射，N-TiO2能够有效地使口罩再生，杀死感染的细菌，从而使口罩可以重复使用。

图2.TiO2的氮掺杂。（A）TiO2和氮掺杂TiO2（N-TiO2）的照片。（B）N-TiO2的STEM图像和元素映射。（C）TiO2和N-TiO2的紫外可见光谱。

图3.口罩的制备。静电纺丝（A）PVA（1）、PVA CNF（2）和PVA CNF PEO（3）。（B）静电纺丝混合物的粘度。（C）PVA CNF PEO中形成的氢键体系；氢键以红色突出显示。（D）PVA CNF PEO静电纺丝口罩。（E）由PVA CNF PEO制成的口罩的SEM图像。（F）处理机制示意图。（G）接触角。（E）-（G）中的图（1）-（5）分别为电纺纳米纤维、硬脂酸酯化纳米纤维、TiO2沉积的酯化纳米纤维、N-TiO2沉积的酯化纳米纤维和N-TiO2/TiO2（3:7重量比）沉积的酯化纳米纤维。

图4.通过面部光照射使口罩再生。（A）口罩上的N-TiO2如何在光照射下对细菌进行消毒的机制。（B）光照射前后口罩上的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的荧光显微图像。用活/死细胞试剂盒染色后，活细菌发出绿色荧光，而死细菌发出红色荧光。在图（B）中，（b2）和（c2）中的箭头表示活细菌（绿色）。（C）在有无光照射的情况下清洗口罩上的细菌后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的平板培养照片。（D）平板上CFUs的数量。（E）平板上活细菌的百分比。在（D）和（E）中，口罩 N-TiO2/TiO2表示N-TiO2/TiO2以3:7的重量比沉积到口罩上。（F）在真实阳光下再生口罩。图（F）中的（1）、（2）和（3）分别为真实阳光照射的实验装置、口罩上细菌的荧光显微图像以及真实阳光照射后培养板的照片。该图中的所有比例尺均为20μm。

图5.口罩的机械强度、气流和颗粒过滤。（A）应力-应变曲线。（B）弹性模量和拉伸强度。（C）过滤性和透气性的测量示意图。（D）口罩的空气流速和颗粒过滤。（E）口罩的渗透机制。（F）商用面罩（1）和本研究所制备的电纺丝面罩（2）的过滤器对撕裂组织的静电吸引力。图（D）中的单位lpm代表升/分钟。

图6.本研究所制备的面罩的循环性能。（A）如何测定面罩循环性能的图形演示。（B）用于循环性能试验的粒子计数仪器。放大的图像显示了面罩是如何安装到小瓶上的，以及气流通过面罩的方向。（C）循环性能试验的设计过程。（D）每次循环后的存活细菌。在图（D）中，（a1）-（d1）为平板培养的照片，（a2）-（d2）面罩上细菌的荧光显微图像。绿色，活细菌；红色，死细菌。（E）平板培养中的CFUs数量。（F）平板上的活细菌百分比。（G）本研究所制备面罩每次循环的过滤效率。

图7.本研究的口罩原型及其佩戴后的过滤效率。（A）通过使用本研究中的面罩材料替换商用面罩过滤器来制备原型面罩。（B）本研究中的原型面罩和商用面罩的照片。（C）作者佩戴商用面罩（1）和本研究中的原型面罩（2）。（D）测试作者佩戴的商用口罩（1）和本研究中的原型口罩（2）的过滤效率。如前所述，面罩由尼龙覆盖层收紧，以防止在测试过程中可能出现泄漏。（E）商用面罩和本研究中的原型面罩随时间推移的过滤效率。图（E）中插入的SEM图像显示颗粒/细菌沉积在商用口罩（1）的内部，本研究所制备口罩（2）的表面，揭示了本研究所制备口罩的结构优势以及良好的过滤效率。

来源：北京永康乐业公司http://www.biofabrication.cn/