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  截止目前為止，新冠疫情仍在全球肆虐，對人類的生命健康和日常生活造成了極大的影響。做好個人防護，仍然是阻止新冠感染的一個有效方式。然而，佩戴傳統(tǒng)的個人防護口罩在全球范圍內(nèi)面臨新的挑戰(zhàn)，比如口罩供應鏈成本的增加以及廢棄口罩帶來的塑料污染和二次感染。

  近日，針對傳統(tǒng)個人防護用品的可重復使用次數(shù)低、不可二次利用、以及帶來的嚴重的塑料污染等問題，美國東北大學祝紅麗教授團隊利用可生物降解高分子，設計了一種具有光催化活性、可再生、可重復使用、可生物降解的具有良好抗菌性能的防護口罩。該口罩在日常太陽光下照射10min即可實現(xiàn)100%殺菌活化，且再生后的口罩具有高達98%的過濾性能，良好的透氣性能，以及長時間穩(wěn)定的過濾性能。

  作者以可生物降解的聚乙烯醇(PVA)、聚環(huán)氧乙烷(PEO)和纖維素納米纖維(CNF)為原材料，通過靜電紡絲制備具有多孔結(jié)構(gòu)的納米網(wǎng)，同時對納米織物表面進行酯化以獲得良好的疏水性能，再通過沉積氮摻雜的TiO₂ (N-TiO₂)賦予口罩光催化活性。在簡單的太陽光照射下，口罩即可實現(xiàn)滅菌自凈功能。

  作者所用的三種原料PVA、PEO和CNF不僅環(huán)保，還可相互相成大量氫鍵，從而顯著提高靜電紡絲織物的可加工性和納米網(wǎng)的力學性能。具有高效光催化活性的TiO₂成本低廉。TiO₂和N-TiO₂以3:7的比例混合使用，不僅能保證納米織物高效的光催化功能，還能保證納米織物良好的疏水性能。

  作者系統(tǒng)性地測試了口罩對大腸桿菌和口腔鏈球菌的殺菌效果。不管在0.1個模擬太陽光（200?2500 nm, 106 W m^?2）下還是在自然光下，僅照射10分鐘即可達到100%的殺菌消毒效果。

  對口罩的拉伸強度和彈性模量的測定發(fā)現(xiàn)所制備的口罩具有10倍于商業(yè)口罩的彈性模量和3倍高的拉伸強度。與此同時，對口罩過濾性能的測定發(fā)現(xiàn)，口罩具有98%以上的過濾性能和與商業(yè)口罩相差無幾的呼吸性能。如此良好的過濾性能和呼吸性能歸因于納米織物良好的多空結(jié)構(gòu)和高電壓靜電紡絲賦予口罩的良好靜電吸附力。

  除此之外，作者對口罩的重復使用性進行表征。所制備口罩在三次循環(huán)使用后仍具有近100%的滅菌性能和穩(wěn)定的過濾性能，展現(xiàn)了改口罩良好的可重復使用性。

  最后，作者將所制備的納米織物做成了真實的可直接穿戴口罩，并對口罩的穿戴性和長期過濾性能進行了測試。與普通商業(yè)口罩一樣，該口罩具有良好的可穿戴性，并且在穿戴2h后仍然具有穩(wěn)定的過濾性能。相比之下，商業(yè)口罩在穿戴了1個小時之后過濾性能即開始下降。該研究表明了所制備的口罩具有良好的市場推廣價值，對于生產(chǎn)下一代高效、環(huán)保的個人防護器具，應對未來可能的全球公共衛(wèi)生危機具有重要的實際意義。

  以上成果發(fā)表在ACS Nano上（doi.org/10.1021/acsnano.1c03249）。文章第一作者為美國東北大學博士后李強，其現(xiàn)任美國Texas A&M大學高級研究員，長期從事制漿造紙、生物精煉、木素碳纖維與碳材料、木材基生物材料與器件的研究。文章共同第一作者為美國東北大學生物系博士后殷永超博士。文章通訊作者為美國東北大學祝紅麗教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c03249

  課題組組頁：https://coe.northeastern.edu/research/hongli_group/