可生物降解的电活性纳米纤维空气过滤器用于自供能呼吸健康监测

文章来源：微流控

作为全球范围内影响公共健康、生态环境和经济发展的焦点问题，污染空气中细微颗粒物（PM2.5）由于尺寸小、成分复杂、穿透性强，易被吸入到肺部后通过血液进入心脏、肝脏和肾脏等几乎所有人体器官，甚至穿过血脑屏障进入大脑，严重危害人体健康。

为切断PM2.5污染和病毒气溶胶传播，目前广泛采用高分子纤维空气过滤材料进行空气净化。尽管聚乳酸（PLA）因其良好生物降解性、高力学强度和易加工性而成为最具前景的纤维过滤材料，但受限于介电常数较低、极化效应差、电荷存储能力低等缺陷，过滤性能尚不能满足实际应用需求。因此，调控PLA分子链结构，提升PLA纤维膜的电活性，改善PLA纤维膜的过滤性能仍存在巨大挑战。

近期，中国矿业大学职业健康研究院何新建教授/徐欢副教授团队提出了“自增强电活性（SREA）”策略，有效调控PLA偶极子排列、分子链构象、纤维及其聚集体形态，进而显著提高了PLA纤维滤膜的电活性、过滤性能和服役效能，并实现自供能呼吸健康监测。

相关工作以 “Biodegradable Electroactive Nanofibrous Air Filters for Long-Term Respiratory Healthcare and Self-Powered Monitoring”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上。 在这项研究中，研究人员采用超高压静电场和高倍牵伸相结合的技术方法，使静电纺PLA纳米纤维细化和取向，显著促进电活性组分的形成（包括β相、高取向分子链和C=O偶极子），从而提高了静电纺PLA的介电、静电极化和原位驻极性能。

鉴于自供能PLA纳纤膜独特有序的纤维排列结构和高电活性，PLA纳纤膜具有优异且长效可持续的过滤性能。同时，自供能PLA纳纤膜具有增强的摩擦电性能和优异的空气和油性污染物净化能力。“自增强电活性（SREA）”策略赋予长效过滤和呼吸监测功能集成，这对于发展可生物降解智能空气过滤材料具有重要意义。

图1 面向长效呼吸防护和自供能监测的高电活性可降解纳米纤维空气过滤膜

具体而言，该研究报道了一种高电活性自供能取向PLA纳纤膜，可同时实现高静电吸附和呼吸健康监测，具有良好的颗粒物滤除和呼吸状态识别能力。结果表明，所制备的高电活性自供能PLA纤维膜具有极高的静电吸附能力，且在“自增强电活性（SREA）”策略影响下，PLA纤维膜的介电常数得到了极大地提高，且与纤维膜的表面电势形成了特殊的线性关系。同时，“自增强电活性（SREA）”策略对PLA纤维膜的摩擦电性能得到了促进影响，由高电活性PLA纳纤膜组装摩擦纳米发电机的输出电压、电流和电荷分别达到了21.5 V、63.2 nA和26.7 nC。这对于改善PLA纤维膜的过滤性能和实现精准呼吸监测具有重要意义。

图2 自供能PLA纳纤膜的电活性和TENG特性

为了研究PLA纤维膜的过滤性能，研究人员首先研究了其在不通气流量（10L/min、32L/min、65L/min、85 L/min）的空气过滤性能（图3a ~ 3f）。在最高空气流量85 L/min时，对PM2.5和PM0.3的过滤效率仍能达到99.82%和90.68%。此外，将自供能PLA纳纤膜在32 L/min下进行长达300 min的过滤后发现，其对PM0.3和PM2.5的过滤效率均保持在95%和99.8%的水准，且没有出现显著的降低，具有优异长效的过滤性能；而压降仅增加了28 Pa（从82.4 Pa增加到110.7 Pa），满足长期使用所需的低空气阻力。

图3 自供能PLA纳纤膜的过滤性能

为探究摩擦电性能对过滤效率改善的重要作用，研究人员通过喷洒酒精对PLA纤维膜上的极化电荷进行消除，并在32 L/min的仿人呼吸气流量下进行摩擦充电，并分别测试了过滤效率的变化（图4）。结果发现，与传统PLA纤维膜相比，自供能PLA纳纤膜具有高电活性和良好的形貌控制，在规律的呼吸振动触发下表现出卓越的TENG特性，在仿人呼吸振动（32 L/min）的激发条件下，使纤维膜表面电位从-0.14 kV增加到-1.43 kV；对PM0.3的捕捉效率从56.2%增加至94.3%，提高了近68%。同时，研究人员对其卓越的TENG机制进行了研究，以详细监测个人呼吸特征，特别是那些引发输出电压大幅快速变化的特征，如说话，咳嗽，急促呼吸等。这使得在制造用于呼吸保健和自供能监测的环保空气过滤器方面具有前景。

图4 有助于提高自供能PLA纳纤膜过滤性能的TENG机制

总体而言，研究所采用的“自增强电活性（SREA）”策略制备的自供能PLA纳纤膜的表面电位和过滤性能得到大大提高。且自供能PLA纳纤膜高电活性和良好的形貌控制表现出卓越的TENG特性，极大提高了对超细颗粒物的捕捉效率。同时，其卓越的TENG机制足以实现对人体呼吸特征的详细监测。自供能PLA纳纤膜具有理想的生物相容性和可降解性，有望应用于制造环保型空气过滤器，实现高性能净化和智能监测。未来，围绕可降解纤维过滤膜在呼吸防护和智能监测领域的重要应用，团队将继续深入开展基于高电活性PLA纤维的呼吸防护和智能监测研究，特别是探索突发应急状态、肺部疾病状态下个体生命体征的智能监测。