最新Nature子刊--纳米纤化胶原纤维网络以增强空气净化
点击数：22025-07-25 00:00:00 来源: 第一性原理计算
空气过滤对于保护人类健康至关重要，但商用合成微纤维过滤器面临制造工艺复杂、生物降解性差、抗菌性能有限以及对挥发性有机化合物（VOCs）和纳米级颗粒物净化效果不足等挑战。源自动物皮的胶原纤维网络（CFNs）因其层级结构和多样化的表面功能成为一种可持续的替代材料。然而，其粗大的纤维束（>5 μm）限制了过滤性能。
2025年7月24日，四川大学皮革化学与工程教育部重点实验室刘公岩教授团队在Nature Communications期刊发表题为“Nanofibrillated collagen fiber networks for enhanced air purification”的研究论文，团队成员王俊超为论文第一作者，四川大学刘公岩教授、南京大学陈朝见特聘研究员为论文共同通讯作者。
该研究提出了一种简便策略，通过物理处理和两性离子共聚物功能化分散纤维，随后进行锆处理以稳定结构。所得过滤器具有精细分散的纳米纤维（~120 nm）和更多暴露的功能基团，显著提升了空气净化性能，实现了97%的PM₀.₃去除率，并将甲醛消除效率提高近一倍。这些过滤器还表现出强大的抗菌性能，可捕获并灭活99%以上的细菌气溶胶。生命周期评估表明其具有生物降解性和成本效益，展现出大规模生产的潜力。该方法不仅推动了天然胶原纤维在空气净化中的应用，还为纳米材料分离和水净化等更广泛的应用开辟了可能性。
空气污染物如颗粒物（PM）、生物气溶胶和挥发性有机化合物（VOCs）已成为全球紧迫的挑战，威胁公众健康和生态系统。为应对这一问题，多种空气过滤技术被开发以减少污染空气的暴露。然而，商用合成微纤维过滤器（如熔喷聚丙烯纤维）存在显著局限性：其纤维和网络形成过程复杂，且对某些高风险污染物（尤其是纳米级PM和小分子VOCs）效果有限，这归因于其微米级纤维和有限的表面功能性。此外，这些材料不可降解且缺乏杀菌性能，导致环境污染，并增加了病原微生物二次传播的风险。
近年来，生物质衍生材料因其可再生性和化学多样性成为合成纤维的有前景的可持续替代品。特别是，通过静电纺丝制备的天然蛋白质（如玉米蛋白和蚕丝）纤维过滤器已用于有效捕获PM和VOCs。然而，其实用性受限于机械强度不足和静电纺丝过程中有机溶剂的使用，影响了生产和环境可持续性。胶原纤维网络（CFNs）是一种广泛存在于动物皮中的蛋白质基材料，以其层级结构和优异的机械性能著称。这些特性使其无需复杂工艺即可生产坚固的过滤器，适用于油性污染物、天然产物、金属离子和空气PM的分离。然而，胶原纤维通常因相邻纳米纤维间的强氢键作用聚集成直径超过5 μm的粗大纤维束，显著降低了分离效率，尤其是对更小的空气PM和室内VOCs。此外，作为蛋白质基材料，胶原纤维为空气微生物提供了附着和生长的有利环境，可能导致过滤器劣化和病原体传播。因此，开发有效策略以增强纤维分散性并赋予抗微生物性能，是实现胶原基过滤器高效、可持续空气净化的关键。
该研究提出了一种纳米纤化与功能化策略，通过改造天然胶原纤维网络（CFNs）来实现高性能空气净化。该方法结合机械作用与化学修饰手段——引入两性离子共聚物和Zr⁴⁺离子，成功破坏了由氢键介导的纤维聚集现象，将胶原纤维束转化为纳米级纤维。这一转变不仅通过形成的多级通道结构增强了空气流通性，还显著提升了净化效率。纳米纤化过程同时暴露出更多纳米纤维表面的活性氨基，从而强化了对甲醛（HCHO）等室内VOCs的捕获能力。此外，两性离子聚合物中磺酸基团与Zr⁴⁺的配位作用增加了季铵基团周围的电荷密度，使胶原基过滤器获得了抗菌特性。生命周期评估结果凸显了该材料的环境可持续性与经济可行性，为其商业化生产提供了依据。这种纳米纤化策略成功开发出基于天然胶原纤维的高性能空气过滤器，可高效去除颗粒物（PMs）、病原性生物气溶胶和VOCs等各类污染物。
图1 | CFNs的纳米纤化过程。A CFNs的三维层级结构示意图及两步纳米纤化流程。B 由氢键驱动的胶原纤维聚集示意图。C PSG共聚物引入以增强水吸附，促进水合辅助纤维分散的示意图。D 基于锆配位钝化活性位点并稳定纳米纤化CFNs的示意图。E 大面积Nano-CFN膜的照片。F 横截面和G 表面SEM图像对比CFN和Nano-CFN样品。实验重复三次，结果相似。H 纳米纤化前后纤维直径的统计分析。
图2 | 纳米纤化CFNs的表征。A 各处理阶段胶原纤维的FTIR光谱。B 不同胶原纤维样品的XPS全谱。C Nano-CFN的N 1s、D C 1s和E O 1s高分辨率XPS谱。F CFN、PSG-CFN和Nano-CFN的XRD图谱。G PSG的表面电荷密度计算。H Zr物种与二肽化合物相互作用的能量分布。I 不同样品的水熔融和汽化DSC曲线。J 各处理阶段胶原纤维的拉伸应力-应变曲线和K 热变性温度。
图3 | 纳米纤化CFNs的空气净化性能。A 空气净化实验装置示意图及Nano-CFN的过滤机制。B 原始CFN、Nano-CFN与三层标准H13过滤器（3×H13）的HCHO去除效率对比。数据为平均值±标准差（n=3）。C CFN、Nano-CFN和三层H13过滤器对不同尺寸PM（PM₁₀: 10 μm, PM₂.₅: 2.5 μm, PM₀.₃: 0.3 μm）的过滤效率。数据为平均值±标准差（n=3）。D PM去除后Nano-CFN的SEM图像。实验重复三次，结果相似。E CFN和Nano-CFN的孔径分布曲线。F CFN、Nano-CFN和3×H13过滤器的压降与空气面速度关系。G CFN、Nano-CFN和H13过滤器的品质因子（QF）与容尘量（DHC）对比。数据为平均值±标准差（n=3）；误差条表示测量偏差。H 商用空气净化器配备Nano-CFN过滤器在5次循环测试中的动态HCHO去除效率曲线。I 相同条件下的动态PM₂.₅去除效率。J Nano-CFN与已报道的蛋白质基空气过滤器及其他常见材料的性能对比分析。
图4 | 纳米纤化CFNs的微生物抗性与生物气溶胶消除。A Nano-CFN的微生物抗性机制示意图。B 不同胶原基样品的Zeta电位，Zr-CFN代表经Zr(SO₄)₂交联的CFN。C 各过滤器在25°C、98%相对湿度下储存后的防霉性能。D 不同过滤器对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的灭活效率。E 金黄色葡萄球菌和F 大肠杆菌气溶胶在50次重复测试中CFN、H13和Nano-CFN的捕获效率。G 50次循环中金黄色葡萄球菌和大肠杆菌气溶胶的灭活效率，展示Nano-CFN的抗菌耐久性。数据为平均值±标准差（n=3）；误差条表示测量偏差。
图5 | 纳米纤化CFNs的环境与经济分析。A Nano-CFN从生产到使用及废弃的生命周期示意图。B 去锆处理后Nano-CFN的酶降解。C H13和Nano-CFN过滤器的模拟填埋降解。D Nano-CFN与PP纤维、PET纤维和玻璃纤维的环境影响对比，各指标归一化至最高值。E 材料生产与环境相关的成本分解。F Nano-CFN与三种常见过滤材料在生物降解性、可再生性、微生物抗性、VOC吸附、可持续性和成本方面的对比分析，突显其综合优势。
总之，该研究开发了一种简便的纳米纤化策略，通过物理处理与水结合基团功能化的两性离子聚合物化学修饰相结合，随后进行锆处理以稳定纳米纤维结构，从而实现了天然CFNs的高效空气净化。所得纳米纤化CFNs具有更高的孔隙率和功能基团暴露量，显著提升了甲醛和PM（尤其是小颗粒）的去除效率。
Nano-CFN的优异性能源于三个特征的协同作用：（1）多层级纳米纤化结构，（2）丰富的表面功能基团，以及（3）可控的亲水性。与表面惰性的传统合成纤维不同，胶原纤维同时具备氨基、羧基和羟基等官能团，能通过多重相互作用机制主动捕获污染物。纳米纤化过程不仅增加了这些功能基团的暴露程度，还形成了相互连通的曲折通道，从而最大化空气污染物接触时间。对于甲醛等挥发性有机物，氨基通过形成席夫碱实现化学固定而非单纯物理吸附；对于颗粒物，经亲水性调控的纳米级纤维可实现机械拦截和吸湿捕获。关键在于这些因素相互依存：若缺乏足够功能基团，纳米纤化会限制化学相互作用；而若未充分纳米纤化，丰富的功能基团将降低可及性。同样，亲水性需精确平衡——过度吸水会导致多孔结构塌陷，而亲水性不足则会削弱PM捕获能力。通过整合这三个特性，Nano-CFN展现出优于传统过滤器（如商用H13 HEPA过滤器）的性能表现，后者作为医疗和半导体洁净室应用的行业基准，仅通过较少的净化机制发挥作用。此外，Zr⁴⁺与两性离子聚合物中磺酸基团的配位增强了季铵基团的表面电荷，赋予过滤器抗菌性能。Nano-CFN对耐药菌株（如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）表现出广谱抗菌活性。
进一步分析表明，这种天然材料不仅具有生物降解性，还具备大规模生产的经济优势。该研究为开发多功能、高性能且经济高效的空气过滤器提供了可持续方法，潜在应用涵盖医院、实验室和工厂等场景。尽管实验室规模工艺稳健，但工业化生产仍需优化纤化过程以确保产品均一性并提升能效。此外，纳米纤化CFNs在纳米材料分离和水净化等领域也具有广阔应用前景。