第一作者：张芳菲, 林俊柱
通讯作者：张亚斌，王奔
通讯单位：广西大学，深圳大学
研究速览：
近期，广西大学的张亚斌教授和深圳大学的王奔副研究员等人在Chemical Engineering Journal上共同发表了用于呼吸监测的具有高透气、抗菌及防水功能的口罩的研究工作。在COVID-19大流行期间，具有多种功能和特殊耐用性的口罩引起了越来越多的关注。如何将抗菌性能、长时间佩戴的舒适性和呼吸监测功能整合到一个口罩上仍然是一个挑战。该作者研发了一种将无颗粒防水面料、抗菌面料和隐式呼吸监测装置组合在一起的口罩，制成了具有呼吸监测功能的高透气、高防水、高抗菌口罩。基于功能层的合理设计，该口罩对呼吸过程中产生的微雾表现出优异的排斥性，同时保持高透气性，抑制含菌气凝胶通过。更重要的是，该多功能口罩还可以无线实时监测呼吸状况，收集呼吸信息进行流行病学分析。由此产生的口罩为开发多功能呼吸监测口罩铺平了道路，这种口罩可以帮助预防细菌和病毒的二次传播，同时防止长时间佩戴时潜在的不适和面部皮肤过敏。
具有防水(自清洁)、抗菌和呼吸监测功能的高透气性口罩设计原理图
要点分析：
要点一：
自制口罩的抗菌性能。 涂覆过AgNPs的口罩对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长有着很好的抑制，从而可抑制细菌气凝胶的进入，表现了优异的抑菌能力。
要点二：
自制口罩的疏水性、透气性以及呼吸监测功能 。原位化学蚀刻工艺和含氟硅烷的使用使口罩有着高度的疏水性，且可有效排斥呼吸期间的微雾。此外，透气试验证实自制口罩的优异透气性，以确保佩戴时的舒适感。BWAB-面罩的呼吸监测系统可用于长期实时方式监测呼吸状况，并收集呼吸信息用于流行病学分析。
图文导读
图1. 镀银织物(口罩的第二层)的制备和表征。(a) 扫描电镜图像显示原始织物的整体视图。(b) 扫描电镜图像显示原始织物的放大视图。(c) 扫描电镜图像显示了涂有PDA的织物的整体视图。(c) 扫描电镜图像，显示涂有PDA的织物的放大视图。(e) 扫描电镜图像显示AgNPs涂层织物的整体视图。(f) AgNPs涂层织物的放大SEM图像。(g) 显示Ag在AgNPs涂层织物上分布的能谱图。(h-j) AFM图像显示原始织物、PDA涂层织物和AgNPs涂层织物的三维表面形态。(k) XPS谱图显示了PDA涂层织物和AgNPs涂层织物的化学成分。
图2. AgNPs涂层织物的抗菌性能。(a) AgNPs涂层织物(口罩第二层)的抗菌特性示意图。(b) 照片显示涂覆和未涂覆AgNPs的织物的抗菌性能(革兰氏阴性细菌大肠杆菌和革兰氏阳性细菌(葡萄球菌))。(c) 示意图和照片显示了用于评估细菌抑制能力的设置。(d) 通过将织物暴露在细菌气凝胶凝胶中不同时间，显示了使用有和没有银纳米颗粒涂层的织物的细菌抑制性能的照片。(e) 柱状图显示大肠杆菌菌落和喷洒时间之间的关系。
图3. 织物的防水性能。(a) 示意图和SEM图像显示了织物的疏水特征(口罩的第一层)。显示水在不同材料上的润湿行为的光学照片。(b) 照片显示商业口罩和制作口罩的润湿性和附着力。(c) XPS光谱显示了制作口罩的化学成分。(d) 液滴接触角与超声波洗涤时间的关系曲线图。
图4. 制作口罩具有高的透气性。(a) 示意图显示了用于评估透气性能的设置。(b) 照片显示商业口罩的透气性。(c) 照片显示所制作口罩的透气性。
图5. 使用制作的口罩模拟人体模型的呼吸。(a) 示意图显示具有高透气性、防水性和抗菌性的可佩戴口罩。(b) 图像显示了戴着制作口罩的人体模型的前视图和侧视图。(c) 图像显示了模拟的人在佩戴和不佩戴人造口罩的情况下的呼吸。(d) 图像显示了在模拟人类呼吸30分钟后制作口罩的防水性能。
图6. 所准备BWAB口罩的呼吸监测能力。(a) 原理图和照片显示了嵌入在BWAB口罩中的呼吸监测装置。(b) 呼吸监测系统框图。(c) 显示正常呼吸、快速呼吸和屏气信号强度的柱状图。(d) 图为测试者的无线呼吸监测过程。(e) 曲线显示被测者屏气、说话、正常呼吸、快速呼吸、咳嗽等连续呼吸状态的信号强度。
结论
在这项工作中，该作者开发了一种高度透气、防水和抗菌的口罩，且具有卓越的耐用性。制作的口罩从内到外依次包括三层，无颗粒疏水层、抗菌层和保护层。呼吸监测装置固定在抗菌层和保护层之间，呼吸监测聚偏氟乙烯(PVDF)传感器靠近口腔呼吸位置。(1)疏水层对呼吸过程中产生的大雾和微雾都表现出优异的排斥性，同时保持高透气性并防止Ag纳米粒子直接接触面部皮肤而渗透。防水层的无颗粒特征避免了可能对人体健康有害的纳米颗粒的侵入。(2)抗菌层抑制含细菌气凝胶的通过。(3)外部保护层用于保护中间抗菌层免受纳米结构的日常磨损和破坏。该多功能口罩还可以以无线和实时方式监测呼吸状况，并收集呼吸信息用于流行病学分析。所制造的口罩显示出坚固性和高稳定性，可以超声清洗而不破坏内层的高疏水性。与市场上的市售口罩相比，组装的口罩不仅表现出防水和抗菌性能，而且还表现出良好的透气性。以这种方式，将防止在长时间佩戴期间由潮湿的口罩引起的不适、面部皮肤过敏和细菌滋生。在整个过程中，使用浸涂方法所制造的口罩，这适合于大规模生产。更重要的是，BWAB口罩提供了便捷的呼吸监测功能，可以记录长期呼吸数据，用于建立个人健康数据库，或对多名患者进行分组分析，以进行健康差异检查和流行病学分析。所制作的口罩为开发多功能呼吸监测口罩铺平了道路，该口罩可有助于防止细菌和病毒的二次传播，同时防止长期佩戴期间的潜在不适和面部皮肤过敏。
全文链接： https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143150
参考文献： Fangfei Zhang, Junzhu Lin, Mingwan Yang, Yun Wang, Zhicheng Ye, Jiajun He, Jie Shen, Xuechang Zhou, Zhiguang Guo, Yabin Zhang*, Ben Wang*. High-breathable, antimicrobial and water-repellent face mask for breath monitoring. Chemical Engineering Journal . 2023. 143150.