可生物降解的電活性納米纖維空氣過濾器用于自供能呼吸健康監(jiān)測

作為全球范圍內(nèi)影響公共健康、生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)問題，污染空氣中細(xì)微顆粒物（PM2.5）由于尺寸小、成分復(fù)雜、穿透性強(qiáng)，易被吸入到肺部后通過血液進(jìn)入心臟、肝臟和腎臟等幾乎所有人體器官，甚至穿過血腦屏障進(jìn)入大腦，嚴(yán)重危害人體健康。

為切斷PM2.5污染和病毒氣溶膠傳播，目前廣泛采用高分子纖維空氣過濾材料進(jìn)行空氣凈化。盡管聚乳酸（PLA）因其良好生物降解性、高力學(xué)強(qiáng)度和易加工性而成為最具前景的纖維過濾材料，但受限于介電常數(shù)較低、極化效應(yīng)差、電荷存儲(chǔ)能力低等缺陷，過濾性能尚不能滿足實(shí)際應(yīng)用需求。因此，調(diào)控PLA分子鏈結(jié)構(gòu)，提升PLA纖維膜的電活性，改善PLA纖維膜的過濾性能仍存在巨大挑戰(zhàn)。

近期，中國礦業(yè)大學(xué)職業(yè)健康研究院何新建教授/徐歡副教授團(tuán)隊(duì)提出了“自增強(qiáng)電活性（SREA）”策略，有效調(diào)控PLA偶極子排列、分子鏈構(gòu)象、纖維及其聚集體形態(tài)，進(jìn)而顯著提高了PLA纖維濾膜的電活性、過濾性能和服役效能，并實(shí)現(xiàn)自供能呼吸健康監(jiān)測。

相關(guān)工作以 “Biodegradable Electroactive Nanofibrous Air Filters for Long-Term Respiratory Healthcare and Self-Powered Monitoring”為題發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上。 在這項(xiàng)研究中，研究人員采用超高壓靜電場和高倍牽伸相結(jié)合的技術(shù)方法，使靜電紡PLA納米纖維細(xì)化和取向，顯著促進(jìn)電活性組分的形成（包括β相、高取向分子鏈和C=O偶極子），從而提高了靜電紡PLA的介電、靜電極化和原位駐極性能。

鑒于自供能PLA納纖膜獨(dú)特有序的纖維排列結(jié)構(gòu)和高電活性，PLA納纖膜具有優(yōu)異且長效可持續(xù)的過濾性能。同時(shí)，自供能PLA納纖膜具有增強(qiáng)的摩擦電性能和優(yōu)異的空氣和油性污染物凈化能力?！白栽鰪?qiáng)電活性（SREA）”策略賦予長效過濾和呼吸監(jiān)測功能集成，這對(duì)于發(fā)展可生物降解智能空氣過濾材料具有重要意義。

圖1 面向長效呼吸防護(hù)和自供能監(jiān)測的高電活性可降解納米纖維空氣過濾膜

具體而言，該研究報(bào)道了一種高電活性自供能取向PLA納纖膜，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高靜電吸附和呼吸健康監(jiān)測，具有良好的顆粒物濾除和呼吸狀態(tài)識(shí)別能力。結(jié)果表明，所制備的高電活性自供能PLA纖維膜具有極高的靜電吸附能力，且在“自增強(qiáng)電活性（SREA）”策略影響下，PLA纖維膜的介電常數(shù)得到了極大地提高，且與纖維膜的表面電勢形成了特殊的線性關(guān)系。同時(shí)，“自增強(qiáng)電活性（SREA）”策略對(duì)PLA纖維膜的摩擦電性能得到了促進(jìn)影響，由高電活性PLA納纖膜組裝摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流和電荷分別達(dá)到了21.5 V、63.2 nA和26.7 nC。這對(duì)于改善PLA纖維膜的過濾性能和實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)呼吸監(jiān)測具有重要意義。

圖2 自供能PLA納纖膜的電活性和TENG特性

為了研究PLA纖維膜的過濾性能，研究人員首先研究了其在不通氣流量（10L/min、32L/min、65L/min、85 L/min）的空氣過濾性能（圖3a ~ 3f）。在最高空氣流量85 L/min時(shí)，對(duì)PM2.5和PM0.3的過濾效率仍能達(dá)到99.82%和90.68%。此外，將自供能PLA納纖膜在32 L/min下進(jìn)行長達(dá)300 min的過濾后發(fā)現(xiàn)，其對(duì)PM0.3和PM2.5的過濾效率均保持在95%和99.8%的水準(zhǔn)，且沒有出現(xiàn)顯著的降低，具有優(yōu)異長效的過濾性能；而壓降僅增加了28 Pa（從82.4 Pa增加到110.7 Pa），滿足長期使用所需的低空氣阻力。

圖3 自供能PLA納纖膜的過濾性能

為探究摩擦電性能對(duì)過濾效率改善的重要作用，研究人員通過噴灑酒精對(duì)PLA纖維膜上的極化電荷進(jìn)行消除，并在32 L/min的仿人呼吸氣流量下進(jìn)行摩擦充電，并分別測試了過濾效率的變化（圖4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)PLA纖維膜相比，自供能PLA納纖膜具有高電活性和良好的形貌控制，在規(guī)律的呼吸振動(dòng)觸發(fā)下表現(xiàn)出卓越的TENG特性，在仿人呼吸振動(dòng)（32 L/min）的激發(fā)條件下，使纖維膜表面電位從-0.14 kV增加到-1.43 kV；對(duì)PM0.3的捕捉效率從56.2%增加至94.3%，提高了近68%。同時(shí)，研究人員對(duì)其卓越的TENG機(jī)制進(jìn)行了研究，以詳細(xì)監(jiān)測個(gè)人呼吸特征，特別是那些引發(fā)輸出電壓大幅快速變化的特征，如說話，咳嗽，急促呼吸等。這使得在制造用于呼吸保健和自供能監(jiān)測的環(huán)保空氣過濾器方面具有前景。

圖4 有助于提高自供能PLA納纖膜過濾性能的TENG機(jī)制

總體而言，研究所采用的“自增強(qiáng)電活性（SREA）”策略制備的自供能PLA納纖膜的表面電位和過濾性能得到大大提高。且自供能PLA納纖膜高電活性和良好的形貌控制表現(xiàn)出卓越的TENG特性，極大提高了對(duì)超細(xì)顆粒物的捕捉效率。同時(shí)，其卓越的TENG機(jī)制足以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體呼吸特征的詳細(xì)監(jiān)測。自供能PLA納纖膜具有理想的生物相容性和可降解性，有望應(yīng)用于制造環(huán)保型空氣過濾器，實(shí)現(xiàn)高性能凈化和智能監(jiān)測。未來，圍繞可降解纖維過濾膜在呼吸防護(hù)和智能監(jiān)測領(lǐng)域的重要應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入開展基于高電活性PLA纖維的呼吸防護(hù)和智能監(jiān)測研究，特別是探索突發(fā)應(yīng)急狀態(tài)、肺部疾病狀態(tài)下個(gè)體生命體征的智能監(jiān)測。

審核編輯：劉清