伦斯勒理工学院的研究人员创造了一种实用的方法来生产N95口罩,这种口罩既是优秀的细菌屏障,又是接触性的细菌杀手。这种抗病毒和抗菌口罩可以佩戴更长的时间,这将减少塑料垃圾,因为不需要经常更换。

为了防治传染性呼吸道疾病和环境污染,化学和生物工程助理教授、伦斯勒生物技术和跨学科研究中心(CBIS)成员Helen Zha与材料科学和工程副教授、伦斯勒材料、设备和集成系统中心(cMDIS)成员Edmund Palermo展开了合作。

"这是一个多方面的材料工程挑战,有一个伟大的、多样化的合作者团队,"Palermo说。"我们认为这项工作是迈向更持久、自我消毒的个人防护设备,如改良N95口罩的第一步。它可能有助于减少空气中病原体的普遍传播"。

根据最近发表在《应用ACS材料与界面》上的研究,研究人员成功地将广谱抗微生物聚合物嫁接到N95面罩中使用的聚丙烯过滤器上。N95呼吸器面罩的设计是为了在脸上提供非常紧密的贴合,并对空气中的微粒进行高效过滤。

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"N95口罩中的活性过滤层对化学改性非常敏感,"Zha说。"它可以使它们的过滤性能变差,所以它们的性能基本上不再像N95口罩。一方面它们是由聚丙烯制成的,很难进行化学改性。另一个挑战是,我们不想破坏这些口罩中非常精细的纤维网络。"

Zha和Palermo与来自伦斯勒、密歇根技术研究所和麻省理工学院的其他研究人员一起,使用紫外线(UV)引发的接枝法将抗菌性季铵聚合物共价连接到非织造聚丙烯织物的纤维表面。这些织物由Hills公司捐赠,由伦斯勒大学校友Tim Robson提供。

Zha说:"我们开发的工艺使用一种非常简单的化学方法来创造这种非沥清聚合物涂层,它可以通过基本上打破它们的外层来杀死病毒和细菌。这是非常直接的,也是潜在的可扩展的方法"。

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该团队在他们的过程中只使用了紫外线和丙酮,这些材料都是可以轻易找到且工序也是易于实施的。此外,该工艺可以应用于已经生产的聚丙烯口罩回收物,而不是必须重新开始制造过程。。

当该工艺直接应用于N95口罩的过滤层时,该团队看到了过滤效率的下降,但解决方案是简单的。用户可以戴上一个未经改进的N95口罩,同时在上面再加一层聚丙烯,上贴面有抗菌聚合物。而在未来,口罩制造商可以制造一种将抗菌聚合物融入顶层的口罩。

由于国家科学基金会的快速反应研究(RAPID)资助,Zha和Palermo在2020年开始了他们的研究,当时N95口罩供不应求。

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医护人员甚至在重复使用本应一次性使用的口罩。快进到2022年,所有类型的口罩现在都广泛供应。然而,COVID的发病率仍然很高,未来发生另一次大流行的威胁是一个明显的可能性,而一次性使用的口罩正在堆积在垃圾填埋场难以降解。

Zha说:"这种技术将越来越重要。由空气传播的微生物引起的疾病威胁不会消失。现在是时候了,我们应该提高我们用来保护自己的材料的性能和可持续性。"

伦斯勒工程学院院长Shekhar Garde说:"在聚丙烯上附着能杀死病毒或细菌的化学基团是一个聪明的策略。鉴于聚丙烯在日常生活中的大量使用,也许这种策略在许多其他情况下也是有用的"。

这项研究得到了美国国立卫生研究院/国家健康研究所的资助。