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  應對空氣中顆粒物污染及病毒傳播的雙重挑戰，高效呼吸防護至關重要。然而，傳統濾材往往濕氣管理能力不足，呼出水分在口罩微環境中冷凝，不僅影響舒適度，更會因液橋效應導致呼吸阻力顯著增加。近日，中國礦業大學何新建教授與徐歡副教授團隊，受到硅藻殼分層多孔結構與其兩親性表面的啟發，提出一種創新的仿生多梯度策略，成功開發出性能卓越的生物可降解聚乳酸纖維膜。該材料集高效防護、濕氣管理及自供電監測于一體，為下一代智能防護裝備的發展開辟了新路徑。

  2025年11月29日，相關成果以“Bioinspired Multi-Gradient Structure Enables Environment-Adaptive Personal Respiratory Protection and Moisture Management for Biodegradable Poly(lactic acid) Meta-Membranes”為題發表于學術期刊Advanced Functional Materials上。論文第一作者為2023級博士生李欣雨，合作者包括核生化災害防護化學全國重點實驗室趙越、李曉鵬、李和國研究員，中國安全生產科學研究院王小蕾研究員，以及揚州大學高杰峰教授。該研究獲國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目資助。

摘要圖：仿生膜實現高效過濾、超低阻力與濕氣管理功能一體化

受硅藻殼啟發的仿生多梯度結構設計

  研究團隊以兼具多級孔結構、兩親性界面與電荷存儲特性的硅藻殼為仿生原型，提出一種系統性的仿生多梯度設計框架：首先，通過分步靜電紡絲構筑大孔層與微孔層，模擬硅藻的“輸運-過濾”雙功能孔道；其次，引入界面取向因子調控聚乳酸分子排列，實現由疏水至親水的梯度潤濕性轉變；最后，借助生物模板效應均勻分散納米電介質，模擬硅藻的金屬摻雜電荷限制機制。該設計使單一膜材料能夠協同實現濕氣定向輸運、顆粒高效捕獲及呼吸驅動傳感。

從分子調控到梯度孔道的多層次構建

  該研究通過多層次的制備策略，實現了從分子取向調控到宏觀孔道結構的跨尺度構筑。首先，在微孔層中引入界面取向因子，不僅使纖維直徑細化，同時誘導聚乳酸分子鏈有序排列，從而實現材料表面潤濕性的定向轉變。繼而，以此有序化界面為生物模板，將Ag-TiO₂納米電介質均勻錨定于纖維表面，顯著增強材料的介電響應與電荷存儲能力。最終，通過系統調控靜電紡絲工藝參數，成功構建出具有仿生特征的梯度雙層結構，其大孔層與微孔層間的孔徑分布跨越一個數量級，為材料同時實現高效過濾、濕氣管理與傳感功能奠定了堅實的結構基礎。

電荷限制效應強化自供能實時呼吸監測

  在實現梯度孔道結構調控的基礎上，研究進一步利用界面取向因子誘導的分子偶極有序排列，協同納米電介質引發的界面極化效應，實現了電荷限制放大效應。該設計使纖維膜的介電常數顯著提升，并在呼吸氣流驅動下實現了表面電位數量級的突破性增長。基于這一增強的介電與摩擦電響應，該膜可將呼吸引起的微幅振動直接轉化為高信噪比的電信號，從而準確識別并無線傳輸正常呼吸、深呼吸及咳嗽等多種生理狀態，為無源健康監測提供了可靠的技術路徑。

仿生結構賦能高效低阻過濾性能

  得益于仿生多梯度結構設計，該纖維膜實現了多機制協同過濾，在32 L/min流速下對PM_0.3的過濾效率高達96.26%，同時保持40 Pa的超低氣流阻力，其綜合性能（品質因子0.082 Pa?1）優于多數商用濾材。值得注意的是，隨流速增加，其過濾效率提升更為顯著，這歸因于呼吸驅動下的持續電荷再生能力優化了電荷分布，強化了對超細顆粒的靜電吸附。與此同時，該策略幾乎未增加氣流阻力，在85 L/min高流速下壓降仍低于147 Pa，在長期測試中過濾效率穩定在98%以上，展現出其在高效低阻呼吸防護領域的突出潛力。

潤濕性/孔徑雙重梯度實現反重力定向導濕

  針對傳統防護材料中濕氣易積聚、冷凝導致呼吸阻力上升的難題，研究團隊通過構建疏水至親水的潤濕性梯度，并協同匹配從大孔到微孔的孔徑梯度，在材料內部形成了穩定的定向拉普拉斯壓力差。實驗驗證表明，該結構能夠驅使接觸疏水側的水滴迅速向親水側泵送并擴散，同時有效抑制水分反向滲透。基于這一單向導濕機制，材料實現了優異的水蒸氣透過性能，保障高濕環境下呼出濕氣的高效導出，從而避免孔道因冷凝液堵塞而引起的呼吸阻力增加。

高濕環境下長效防護舒適性提升機制

  基于國家標準測試，該纖維膜在潤濕時間、液態水擴散速度等關鍵舒適性指標上均達優異評級。實際應用測試表明，材料可迅速將皮膚表面汗液吸附并定向排至外層，有效維持接觸面干爽。最關鍵的是，在40%–90%寬濕度范圍內，其呼吸阻力保持穩定，PM_2.5過濾效率始終高于98%，顯著克服了傳統過濾材料在高濕環境中阻力上升、效率下降的共性瓶頸，展現出持續可靠的高舒適防護性能。

小結

  本研究通過仿生多梯度策略，成功構筑了一類兼具高效防護、智能濕氣管理與自供電監測功能的聚乳酸纖維膜。該材料模仿硅藻殼的多級孔結構與表面特性，實現了從疏水到親水的潤濕性漸變及電荷限制增強，從而在過濾效率（PM_0.3 96.26%）、呼吸阻力（40 Pa）與水蒸氣透過率（223.5 g·m^-2·h^-1）等關鍵指標上取得優異平衡。其梯度孔道與潤濕性設計有效引導濕氣單向排出，克服高濕環境下傳統材料性能衰減的瓶頸，同時呼吸驅動的電荷再生機制支持了對多種呼吸模式的無源監測。作為全生物可降解材料，該研究為發展下一代舒適、智能、環保的呼吸防護裝備提供了可行的技術范式，展現出在公共衛生、職業健康及個人防護領域的應用潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524202

作者介紹

李欣雨：中國礦業大學2023級博士研究生，主要研究生物可降解纖維性能調控及其在個體防護領域研究。相關成果已在《Advanced Functional Material》、《Journal of Hazardous Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《煤炭學報》等國內外高水平期刊發表，并多次獲得校級一等學業獎學金。

何新建：中國礦業大學職業健康研究院院長，江蘇省粉塵治理與職業防護工程研究中心主任，應急管理部有限空間事故調查指導專家組專家，國家“萬人計劃”青年拔尖人才、江蘇省特聘教授、國家重點研發計劃首席科學家，美國注冊安全專家（CSP），美國注冊工業衛生專家（CIH）。長期從事職業安全健康的科學研究與教學工作，主要研究領域包括氣溶膠科學、個體防護技術、職業危害暴露控制等。形成了以全身型高效防護裝備、應急救援降溫服為代表的多項科研成果，發表高水平學術論文近100篇，三次獲得美國工業衛生協會個體防護研究約翰-懷特（John M. White Award）學術獎。先后擔任美國職業衛生學會呼吸防護委員會主席、美國NIOSH特聘客座研究員、國際呼吸防護期刊JISRP副主編等。

徐歡：先后畢業于南昌大學、四川大學、瑞典皇家理工學院，獲雙博士學位，長期從事高分子材料形態與性能調控的理論基礎和加工方法研究，圍繞高分子形態控制機理、特殊結構成型方法與多學科交叉應用開展系列工作，已發表研究論文100余篇，授權發明專利20余件，入選2025全球前2%頂尖科學家榜單。研究獲得國家自然科學基金青年和面上項目，國家重點研發計劃，江蘇省基礎研究計劃重點項目，國家能源集團十大科技攻關項目等資助支持。獲2021年貴州省自然科學獎三等獎，2022年首屆全國博士后揭榜領題金獎，2023年第二屆全國博士后創新創業大賽金獎，2025年第三屆全國博士后創新創業大賽銅獎，2025年第十九屆“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽江蘇省二等獎、全國二等獎等科研獎勵。