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加州大学戴维斯分校孙刚教授团队等制造出日光驱动抗菌抗病毒的维生素K纳米纤维膜
2020-10-26  来源:高分子科技

  近年来,由于传染性疾病例如非典,甲型H1N1流感,禽流感,埃博拉病毒的频繁暴发和肆虐,公共卫生问题已经引起了社会各界的广泛关注。当前仍在席卷全球的新冠病毒更是突出了这一问题。在一场流行病中,穿戴有效的个人防护设备(PPE),例如防护服,口罩,以及一次性手套等,是阻断病原体传播途径、保护易感人群的重要措施。然而,目前广泛使用的个人防护设备通常都由烯烃聚合物熔喷制备而成。这些个人防护设备可以有效地拦截、阻断病原体的传播,但是被阻拦在防护设备表面的病原体仍保留其传染活性,可在使用者脱除防护设备时由于接触而导致使用者的感染以及后续的交叉感染而促进传染病的传播。此外,这些个人防护设备多为一次性防护用具,在突发的传染病暴发中往往会造成个人防护设备的短缺从而引发疫情的加重。


  近日,加州大学戴维斯分校的孙刚教授团队与Nitin Nitin教授,Brian G. Murphy 教授科研团队合作开发出一种由日光驱动的抗菌抗病毒纳米纤维材料。研究人员利用静电纺大发排列3将具有光活性的维生素K与生物相容性良好的聚乙烯-聚乙烯醇共聚高分子混纺从而制备得到具有光活性的纳米纤维膜 (VNFM)。这种纳米纤维膜可以在日光照射下提供高效的抗菌抗病毒功能,同时显示出其优良的耐用性能,有望应用于可循环使用的防护口罩和防护服的制备中。


图1. (a)维生素K纳米纤维膜的抗菌抗病毒过程 (b)纳米纤维膜的光化学反应原理 (c)纳米纤维膜的结构


  孙刚教授团队的前期研究工作表明,纳米纤维结构可有效地把病原体阻拦在材料表面。而纳米纤维材料的多孔隙结构和超高的比表面积也为材料提供与病原体充足的接触面积以及光化学反应位点。制备的纳米纤维直径均在200-290 nm之间。在日光照射下,纳米纤维膜中的光活性维生素K可与聚乙烯-聚乙烯醇以及空气中的氧气反应而生成具有强氧化性的活性氧(ROS)。这些活性氧具有高效、非选择性杀菌杀病毒的功能。


图2. (a)日光光照下维生素K/聚乙烯-聚乙烯醇纳米纤维膜的抗大肠杆菌效果 (b)日光光照下纳米纤维膜的抗李斯特菌效果 (c)日光光照下纳米纤维膜的耐用性(大肠杆菌组)(d)日光光照下纳米纤维膜的耐用性 (李斯特菌组)


  实验表明,在日光照射下,制备的维生素K/聚乙烯-聚乙烯醇纳米纤维膜对革兰阴氏的埃希氏大肠杆菌以及革兰阳氏的李斯特菌均具有高效的杀灭效果(>99.9999%)。同时,其具有优良的耐用性能,在循环使用5次以后在日光下仍具有高效的杀菌效果。


图3. (a)日光光照下维生素K/聚乙烯-聚乙烯醇纳米纤维膜的抗T7噬菌体效果 (b)日光光照下纳米纤维膜的耐用性(T7噬菌体组)(c)日光光照下纳米纤维膜的抗猫传染性腹膜炎病毒效果


  为了证明纳米纤维膜具备抗病毒功能,研究人员使用了T7噬菌体病毒进行了日光光照下的抗病毒实验。实验表明制备的纳米纤维膜在日光照射下短时间内(30 min)即具有高效的抗病毒功能(>99.9999%)。同时,实验证明纳米纤维膜在日光下具有优秀的耐用性,在5次循环使用后仍保持高效的抗T7噬菌体病毒功能。此外,研究人员利用猫传染性腹膜炎冠状病毒作为人类新冠病毒的模板,进行纳米纤维膜抗冠状病毒功能的模拟。实验结果表明在日光光照下,相对于对照组,含维生素K的纳米纤维膜具有明显的抗冠状病毒功能。此工作证明了制备的含维生素K纳米纤维膜在日光下具有高效的抗菌抗病毒功能,且具备优秀的耐用性,为制备低毒、可循环使用、具备自清洁功能的个人防护材料提供了新思路。


  以上相关成果发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。论文的第一作者为加州大学戴维斯分校农业与环境化学系博士研究生张正,通讯作者为孙刚教授。共同作者还有本校的Ahmed El-Moghazy博士Nicharee Wisuthiphaet, Nitin Nitin教授Diego Castillo, 以及 Brian G. Murphy 教授


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c14883

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