自2019年底以来，新冠疫情的反复肆虐严重影响着全世界人口的健康和经济的发展。截至2022年3月，全球确诊病例已超过4.52亿例，死亡人数已超过600万。新冠病毒可通过直接接触、间接接触和空气（飞沫与气溶胶）等方式进行传播。近期研究表明，通过空气传播是新冠病毒传播的主要方式。因此，开发新型的病毒空气过滤材料应用于口罩、空气过滤网等方面成为了科研界和工业界的热点。
在过往的病毒过滤材料的研发过程中，开发者常常使用氯化钠颗粒、聚苯乙烯乳胶球和油雾等病毒替代物来测试空气过滤材料的过滤性能，以求快速、经济地估算过滤材料对于病毒的过滤效率。然而，病毒的尺寸、结构与这些病毒替代物存在明显差异，可能对估算的准确性造成一定影响。因此，迫切需要构建具备类似于病毒的尺寸、结构的病毒替代物用于过滤效率测试，以提供更为准确的过滤效率测试结果。
聚合物囊泡是一类具有中空球体结构，由嵌段共聚物自组装构成的高分子聚集体。它具有与包膜病毒的类似双层膜结构，其亲水内腔可负载核酸等生物分子。同时，聚合物囊泡的尺寸可以在制备过程中精准地控制于类似于病毒的尺寸（约100纳米）。因此，华南理工大学前沿软物质学院王林格、于倩倩团队合作选用了聚合物囊泡作为仿病毒体，对其进行荧光分子的负载，并用于空气过滤材料过滤性能的测试。
图1. 测试系统示意图。
如图1，团队制备了负载荧光染料尼罗红（NR）的聚合物囊泡作为仿病毒体（VSP），并通过喷雾器与超声雾化器分别用来产生含仿病毒体的液滴和气溶胶，用于模拟病人产生的飞沫和气溶胶。利用特定流速的气流，将产生的液滴和气溶胶引入安装了待测试过滤材料和收集层的样品槽中。基于过滤材料以及收集层上所捕获的仿病毒体的含量来计算过滤材料的过滤效率。
测试过滤材料选取了市售KN95口罩、医用口罩以及用于制备新型纳米纤维过滤材料的常用高分子纳米纤维，包括疏水性的聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维和亲水性的聚丙烯腈（PAN）纳米纤维。由电镜分析表征可见（图2），KN95口罩与医用口罩由多层不同的过滤材料构成，纤维直径2-26微米，而PVDF和PAN纳米纤维的直径在200-300纳米。
图2. 代表性过滤材料的SEM图像：(a1-4) KN95口罩；(b1-3)外科口罩；（c）PVDF纳米纤维；（d）PAN纳米纤维。口罩无纺布层在制造过程中产生的热粘合位点用黄色箭头表示。
过滤材料捕获荧光标记的仿病毒体后，可以通过共聚焦显微镜对其进行可视化分析，或通过洗脱后利用荧光分光光度计进行定量分析（图3）。团队首先制备了双层的PVDF或PAN纳米纤维膜进行初步测试，以挑选用于测试系统中收集层的材料。发现当使用双层纳米纤维膜进行测试时，PVDF纤维膜上仅第一层出现荧光信号，进一步地表明PVDF纳米纤维膜具备优异的过滤效率性能。而PAN纳米纤维的结果不同，两层均出现了荧光信号，其对于仿病毒体液滴的过滤效率很低。因此，PVDF纳米纤维膜被选用为测试系统中收集层的材料。
图3. (a)两层PVDF纳米纤维在过滤测试中的共聚焦图像。(b)两层PVDF纳米纤维的洗脱液的荧光测量。(c)过滤测试中两层PAN纳米纤维的共聚焦图像。(d)两层PAN纳米纤维的洗脱液的荧光测量。
团队更进一步的测试了所选用的所有测试材料对于含仿病毒体的液滴以及气溶胶的过滤效率，并提取了多层口罩逐层对仿病毒体过滤的贡献度（图4）。结果表面，KN95口罩以及医用口罩对仿病毒体液滴与气溶胶具有超过95％的过滤效率，这与口罩按照国标使用氯化钠气溶胶以及细菌进行测试得到的结果相符合。疏水性的PVDF纳米纤维对于仿病毒体液滴与气溶胶均有超过99％的过滤效率，而亲水性的PAN纳米纤维对于病毒的过滤效率较低，这表明了疏水的纳米纤维对于病毒液滴与气溶胶可能有更好的过滤效率。发现口罩第一层过滤了超过50％的仿病毒体，这是由于第一层主要过滤了较大的液滴，而大的液滴由于含有较多的仿病毒体。KN95口罩的前三层以及医用口罩的前两层可以过滤超过95％的仿病毒体，这是由于KN95口罩的第三层与医用口罩的第二层是熔喷布，提供较好的过滤性能。本文是首次在单次测试中揭示了多层的过滤材料中每一层对于过滤效率的相对贡献。
图4. 过滤材料对于仿病毒体的过滤效率：(a)对含仿病毒体液滴的测试效率；(b)对含仿病毒体气溶胶的测试效率；(c) KN95面罩和(d)外科面罩的特定层对于仿病毒体的捕获率。
团队通过共聚焦显微镜对仿病毒体撞击到纳米纤维材料后呈现的形貌进行了表征（图5），发现在亲水性PAN纳米纤维表面，仿病毒体溶液出现了圆形的渗透图案，而PVDF纳米纤维表面，则呈现不规则的图案，这表明在亲水性纤维中，仿病毒体溶液会渗透到纤维更深处，解释了亲水性纳米纤维膜对于仿病毒体液滴和气溶胶的过滤效率较低的原因。
图5. (a) 将仿病毒体溶液喷洒到PVDF和PAN纳米纤维上并进行干燥；(b) PVDF 纳米纤维和收集层在对含水溶性荧光染料（AGA）的 VSP 溶液进行过滤实验后的共焦图像；(c) 对含有AGA的VSP溶液进行过滤实验后的PAN纳米纤维和收集层。
综上所述，本工作创新性的提出并验证了聚合物囊泡作为仿病毒体来测试过滤材料的过滤效率的可行性。所建立的聚合物囊泡仿病毒体测试体系可快速、简便地提供较传统模型更贴切于真实病毒过滤效率的测试结果，为新型空气过滤材料的研发奠定基础。
论文链接
https://doi.org/10.1016/j.giant.2022.100104
来源：华南理工大学
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