新冠肺炎疫情的巨大威脅突顯了使用抗病原體口罩來阻止空氣傳播傳染病的緊迫性。大多數(shù)流行的抗病原體口罩顯示出較慢的滅菌率，落后于穿過口罩的病原體動量，從而導(dǎo)致對感染的敏感性增加。東華大學(xué)丁彬/斯陽定制了納米纖維超氣凝膠電陷阱，由全剛性納米纖維骨架中自結(jié)的碳納米管網(wǎng)絡(luò)3D組裝而成。這一優(yōu)越的配置圍繞著創(chuàng)造出無數(shù)的“介電泳型−空氣動力學(xué)夾持器”，這些夾持器能夠?qū)⑽⑸锒ㄏ虿倏v到致命的強(qiáng)電場區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，該研究提出了一種由一對氣凝膠電極組成的消毒裝置，該裝置具有殺滅率快(在0.016 S內(nèi)殺滅效果>99.99%)和耐用性長(連續(xù)操作12h)的特點。此外，采用微按鈕鋰電池作為電源，制作了具有該消毒單元的抗病原體口罩，與商用口罩相比，具有更好的病原體滅活效果。這種可擴(kuò)展的殺生防護(hù)設(shè)備在緊急醫(yī)療服務(wù)中具有巨大的潛力。該研究以題為“Meta-Aerogel Electric Trap Enables Instant and Continuable Pathogen Killing in Face Masks”的論文發(fā)表在《ACS Nano》上。
【即時和持續(xù)的生物保護(hù)方法】
該研究的主要目標(biāo)是建立一個概念驗證，通過構(gòu)建一個用于空氣傳播病原體消毒的電穿孔消毒單元(EDU)來確認(rèn)一種即時和可持續(xù)的生物保護(hù)方法的可行性。EDU由兩個分別作為負(fù)極和正極的MET和一個輕型直流電源(如微按鈕鋰電池或干電池)組成。氣流中包含的微生物依次通過負(fù)極和正極，并在此過程中被捕獲和殺死。
這種超快殺菌是通過氣凝膠的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)的；也就是說，構(gòu)建了大量的介電泳型−空氣動力學(xué)陷阱來操縱、捕獲和滅活細(xì)菌。在細(xì)胞壁中碳納米管尖端周圍產(chǎn)生的不均勻電場導(dǎo)致了介電可以定向地傳輸?shù)诫姌O表面以捕獲顆粒。另一方面，受到動物鼻腔中幫助捕獲顆粒的長而彎曲的鼻甲的啟發(fā)，沿著空氣方向構(gòu)建了一個相互關(guān)聯(lián)的、曲折的分級細(xì)胞結(jié)構(gòu)，用于高效過濾。在這方面，蛇形路徑和誘導(dǎo)的局部流動不穩(wěn)定改變了顆粒的軌跡，允許空氣動力捕獲和有效的顆粒滯留。此外，具有自打結(jié)網(wǎng)絡(luò)的納米/微結(jié)構(gòu)的細(xì)胞壁可以有效地攔截氣流中碰撞的病原體。捕獲在網(wǎng)絡(luò)上的病原體容易發(fā)生電穿孔和被強(qiáng)電場滅活。作為EDU的核心部件，采用冷凍干燥和自下而上相結(jié)合的方法制備了三維結(jié)構(gòu)的碳納米管，實現(xiàn)了剛性碳納米管和柔性碳納米管的可調(diào)組裝。
圖1.建造空氣傳播病原體電穿孔消毒裝置
【MET的機(jī)械行為】
一般來說，口罩需要正確佩戴，以防止吸入潛在有害的未經(jīng)過濾的空氣。然而，當(dāng)口罩因咳嗽、打噴嚏、說話甚至只是呼吸而變形時，就會出現(xiàn)漏氣。因此，口罩織物必須具有良好的機(jī)械性能和變形回彈力。在佩戴口罩的過程中，它主要受到氣流產(chǎn)生的垂直壓縮以及面部運(yùn)動引起的彎曲和拉伸力。采用單軸準(zhǔn)靜態(tài)壓縮方法通過動態(tài)力學(xué)分析來檢查MET的力學(xué)性能(DMA)。結(jié)果表明，MET具有超彈性、優(yōu)異的抗疲勞性、良好的柔韌性和屈曲性能。這些發(fā)現(xiàn)鞏固了MET的卓越機(jī)械特性及其實際應(yīng)用的潛力。
圖2.壓縮和彎曲性能
【即時和持續(xù)的消毒】
該研究選擇大腸桿菌和金黃色葡萄球菌作為模型細(xì)菌，大腸桿菌噬菌體作為模型病毒，作為評估EDU消毒性能的有效指標(biāo)。所有結(jié)果表明 EDU 對于真實且復(fù)雜的生物保護(hù)環(huán)境系統(tǒng)是可行的。EDU高效快速殺滅細(xì)菌取決于病原體向電極表面的輸送效率，同時受到靜電場、介電泳場、流體場等多物理場耦合現(xiàn)象的影響。
總之，基于這些微觀結(jié)構(gòu)研究和實驗驗證，EDU中微生物失活的原因被確認(rèn)為電穿孔。有限元模擬和獲得的抗菌結(jié)果支持了典型的細(xì)胞運(yùn)輸過程如下：最初，含有微生物的氣溶膠穿過負(fù)極，由于電場排斥，帶負(fù)電的細(xì)胞無法接近細(xì)胞壁，從而導(dǎo)致此階段的消毒效果不佳。然而，由于薄細(xì)胞壁和碳納米管尖端周圍的強(qiáng)電場，這些元件充當(dāng)充電器，增強(qiáng)了它們的負(fù)電性。隨后，當(dāng)微生物靠近正極表面時，靜電引力和介電電泳的結(jié)合力加速微生物在網(wǎng)絡(luò)上的捕獲并抵抗相反的速度阻力。與此同時，氣流攜帶的一小部分細(xì)菌將繼續(xù)被捕獲在它們后面的曲折通道內(nèi)。最終，細(xì)胞壁周圍的增強(qiáng)電場導(dǎo)致這些被捕獲的微生物發(fā)生電穿孔并死亡。另外，考慮到微生物直徑相對較小(<0.5μm)，強(qiáng)電場區(qū)域不會被細(xì)胞阻擋。
圖3.EDU的空氣消毒性能
【生物防護(hù)口罩的構(gòu)造和性能驗證】
為了證明生物防護(hù)口罩應(yīng)用的可行性，EDU被集成到商業(yè)口罩中，賦予它們所需的殺菌功能。由此產(chǎn)生的配置被稱為基于電穿孔的生物防護(hù)(EBP)面罩，由兩個MET組成，中間由絕緣網(wǎng)層隔開，充當(dāng)生物防護(hù)功能層。此外，兩層聚丙烯非織造材料位于MET的兩側(cè)，用作支撐層。面罩由6 V紐扣電池供電。使用直徑為0.3μm的多分散氯化鈉顆粒在增加氣流下進(jìn)行過濾性能評估。隨著氣流速度從0.2到1ms−1逐漸增加，EBP口罩的過濾效率在通電情況下呈現(xiàn)出從99.48%到99.63%的邊際放大，超過了廣泛使用的N95面部口罩。當(dāng)關(guān)閉電源時，細(xì)菌無法被完全攔截，并表現(xiàn)出高活性和不受阻礙的生長。但通電后卻沒有檢測到活細(xì)菌，說明EBP口罩具有殺滅細(xì)菌的功效。
該研究還對該研究中的口罩和商用口罩的長期生物防護(hù)性能進(jìn)行了調(diào)查和比較。EBP口罩在整個7天的測試期間表現(xiàn)出持續(xù)的殺菌功效，沒有任何妥協(xié)，而商用口罩僅攔截其表面活性高的細(xì)菌。顯然，商業(yè)口罩僅具有攔截細(xì)菌的能力，但缺乏殺菌特性，無法消除其表面的細(xì)菌活性，從而使細(xì)菌不間斷地繁殖并隨后形成生物膜。相比之下，EBP口罩在過濾空氣的同時，可以有效殺死細(xì)菌，并且不會積聚細(xì)胞。這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了EBP口罩作為可擴(kuò)展的殺菌空氣過濾解決方案的潛力，可同時攔截和殺死受感染空氣中的病原體，突出了其在抗病原體防護(hù)設(shè)備和緊急醫(yī)療服務(wù)方面的實用性。
圖4.EBP口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其生物保鮮性能驗證
【小結(jié)】
該研究提出了一種可擴(kuò)展的方法，將冷凍干燥方法與碳納米管自組裝相結(jié)合，以制造具有分層自結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性超氣凝膠電陷阱。為了闡明界面相互作用在操縱超氣凝膠形成中的貢獻(xiàn)，使用MD模擬進(jìn)行了CNT對CNF的吸附軌跡。結(jié)果表明，碳納米管通過范德華力在3D互連納米纖維框架中良好錨定和交織，使得載荷轉(zhuǎn)移和分布成為可能，從而實現(xiàn)有效的機(jī)械增強(qiáng)。此外，MET的設(shè)計具有定制的互連自結(jié)網(wǎng)絡(luò)，可充當(dāng)“介電泳氣動夾具”，即使在高氣流通量下(1 m s−1)。該研究設(shè)想，這種使用上述 MET 的即時且持續(xù)的生物防護(hù)方法的特殊概念能夠為下一代抗病原體個人防護(hù)設(shè)備提供理論和應(yīng)用指導(dǎo)，并為戶外緊急醫(yī)療服務(wù)提供機(jī)會。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07538
