新冠肺炎疫情的巨大威胁突显了使用抗病原体口罩来阻止空气传播传染病的紧迫性。大多数流行的抗病原体口罩显示出较慢的灭菌率，落后于穿过口罩的病原体动量，从而导致对感染的敏感性增加。东华大学丁彬/斯阳定制了纳米纤维超气凝胶电陷阱，由全刚性纳米纤维骨架中自结的碳纳米管网络3D组装而成。这一优越的配置围绕着创造出无数的“介电泳型−空气动力学夹持器”，这些夹持器能够将微生物定向操纵到致命的强电场区域。在此基础上，该研究提出了一种由一对气凝胶电极组成的消毒装置，该装置具有杀灭率快(在0.016 S内杀灭效果>99.99%)和耐用性长(连续操作12h)的特点。此外，采用微按钮锂电池作为电源，制作了具有该消毒单元的抗病原体口罩，与商用口罩相比，具有更好的病原体灭活效果。这种可扩展的杀生防护设备在紧急医疗服务中具有巨大的潜力。该研究以题为“Meta-Aerogel Electric Trap Enables Instant and Continuable Pathogen Killing in Face Masks”的论文发表在《ACS Nano》上。
【即时和持续的生物保护方法】
该研究的主要目标是建立一个概念验证，通过构建一个用于空气传播病原体消毒的电穿孔消毒单元(EDU)来确认一种即时和可持续的生物保护方法的可行性。EDU由两个分别作为负极和正极的MET和一个轻型直流电源(如微按钮锂电池或干电池)组成。气流中包含的微生物依次通过负极和正极，并在此过程中被捕获和杀死。
这种超快杀菌是通过气凝胶的结构设计实现的；也就是说，构建了大量的介电泳型−空气动力学陷阱来操纵、捕获和灭活细菌。在细胞壁中碳纳米管尖端周围产生的不均匀电场导致了介电可以定向地传输到电极表面以捕获颗粒。另一方面，受到动物鼻腔中帮助捕获颗粒的长而弯曲的鼻甲的启发，沿着空气方向构建了一个相互关联的、曲折的分级细胞结构，用于高效过滤。在这方面，蛇形路径和诱导的局部流动不稳定改变了颗粒的轨迹，允许空气动力捕获和有效的颗粒滞留。此外，具有自打结网络的纳米/微结构的细胞壁可以有效地拦截气流中碰撞的病原体。捕获在网络上的病原体容易发生电穿孔和被强电场灭活。作为EDU的核心部件，采用冷冻干燥和自下而上相结合的方法制备了三维结构的碳纳米管，实现了刚性碳纳米管和柔性碳纳米管的可调组装。
图1.建造空气传播病原体电穿孔消毒装置
【MET的机械行为】
一般来说，口罩需要正确佩戴，以防止吸入潜在有害的未经过滤的空气。然而，当口罩因咳嗽、打喷嚏、说话甚至只是呼吸而变形时，就会出现漏气。因此，口罩织物必须具有良好的机械性能和变形回弹力。在佩戴口罩的过程中，它主要受到气流产生的垂直压缩以及面部运动引起的弯曲和拉伸力。采用单轴准静态压缩方法通过动态力学分析来检查MET的力学性能(DMA)。结果表明，MET具有超弹性、优异的抗疲劳性、良好的柔韧性和屈曲性能。这些发现巩固了MET的卓越机械特性及其实际应用的潜力。
图2.压缩和弯曲性能
【即时和持续的消毒】
该研究选择大肠杆菌和金黄色葡萄球菌作为模型细菌，大肠杆菌噬菌体作为模型病毒，作为评估EDU消毒性能的有效指标。所有结果表明 EDU 对于真实且复杂的生物保护环境系统是可行的。EDU高效快速杀灭细菌取决于病原体向电极表面的输送效率，同时受到静电场、介电泳场、流体场等多物理场耦合现象的影响。
总之，基于这些微观结构研究和实验验证，EDU中微生物失活的原因被确认为电穿孔。有限元模拟和获得的抗菌结果支持了典型的细胞运输过程如下：最初，含有微生物的气溶胶穿过负极，由于电场排斥，带负电的细胞无法接近细胞壁，从而导致此阶段的消毒效果不佳。然而，由于薄细胞壁和碳纳米管尖端周围的强电场，这些元件充当充电器，增强了它们的负电性。随后，当微生物靠近正极表面时，静电引力和介电电泳的结合力加速微生物在网络上的捕获并抵抗相反的速度阻力。与此同时，气流携带的一小部分细菌将继续被捕获在它们后面的曲折通道内。最终，细胞壁周围的增强电场导致这些被捕获的微生物发生电穿孔并死亡。另外，考虑到微生物直径相对较小(<0.5μm)，强电场区域不会被细胞阻挡。
图3.EDU的空气消毒性能
【生物防护口罩的构造和性能验证】
为了证明生物防护口罩应用的可行性，EDU被集成到商业口罩中，赋予它们所需的杀菌功能。由此产生的配置被称为基于电穿孔的生物防护(EBP)面罩，由两个MET组成，中间由绝缘网层隔开，充当生物防护功能层。此外，两层聚丙烯非织造材料位于MET的两侧，用作支撑层。面罩由6 V纽扣电池供电。使用直径为0.3μm的多分散氯化钠颗粒在增加气流下进行过滤性能评估。随着气流速度从0.2到1ms−1逐渐增加，EBP口罩的过滤效率在通电情况下呈现出从99.48%到99.63%的边际放大，超过了广泛使用的N95面部口罩。当关闭电源时，细菌无法被完全拦截，并表现出高活性和不受阻碍的生长。但通电后却没有检测到活细菌，说明EBP口罩具有杀灭细菌的功效。
该研究还对该研究中的口罩和商用口罩的长期生物防护性能进行了调查和比较。EBP口罩在整个7天的测试期间表现出持续的杀菌功效，没有任何妥协，而商用口罩仅拦截其表面活性高的细菌。显然，商业口罩仅具有拦截细菌的能力，但缺乏杀菌特性，无法消除其表面的细菌活性，从而使细菌不间断地繁殖并随后形成生物膜。相比之下，EBP口罩在过滤空气的同时，可以有效杀死细菌，并且不会积聚细胞。这些结果强调了EBP口罩作为可扩展的杀菌空气过滤解决方案的潜力，可同时拦截和杀死受感染空气中的病原体，突出了其在抗病原体防护设备和紧急医疗服务方面的实用性。
图4.EBP口罩的结构设计及其生物保鲜性能验证
【小结】
该研究提出了一种可扩展的方法，将冷冻干燥方法与碳纳米管自组装相结合，以制造具有分层自结网络结构的柔性超气凝胶电陷阱。为了阐明界面相互作用在操纵超气凝胶形成中的贡献，使用MD模拟进行了CNT对CNF的吸附轨迹。结果表明，碳纳米管通过范德华力在3D互连纳米纤维框架中良好锚定和交织，使得载荷转移和分布成为可能，从而实现有效的机械增强。此外，MET的设计具有定制的互连自结网络，可充当“介电泳气动夹具”，即使在高气流通量下(1 m s−1)。该研究设想，这种使用上述 MET 的即时且持续的生物防护方法的特殊概念能够为下一代抗病原体个人防护设备提供理论和应用指导，并为户外紧急医疗服务提供机会。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07538
