加州大学戴维斯分校孙刚教授和Nitin Nitin 教授合作：一种同时具备杀菌和抗细菌粘附功能的纳米纤维材料用于高效水净化

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根据2018年世界卫生组织的年度报告显示，20亿人在饮用被污染的水源，45亿人并无有效方法来净化水源，这种情况无疑增加了患病危险，危害公共健康。通常，膜过滤技术可以有效的阻断水中细菌的传播，但是没有将其杀灭。此外，由于细菌的粘附作用可以使得其在过滤材料表面长时间的存活繁殖，进而形成具有抗药性的生物膜。这不仅大大降低了材料的过滤效率及使用寿命，更重要的是大大增加了病菌的传播风险。

针对上述问题，加州大学戴维斯分校的孙刚教授与Nitin Nitin 教授科研团队合作开发出一种同时具备杀菌和抗细菌粘附功能的纳米纤维材料。通过将熔融自由基接枝聚合和表面交联的方法分别将具有可再生杀菌功能的卤胺结构和改性后具有两性离子结构的聚乙烯亚胺固定在聚乙烯-聚乙烯醇的聚合高分子链上。该纳米纤维膜可以通过建立三个层次的防护来实现对细菌污染的饮用水的高效净化以及维持纳米纤维膜自身的长效清洁：（1）在最初期，利用结合在纤维膜表面的水合层来减少病菌或其他生物污染物与其接触；（2）当病菌接触到纤维膜上的卤胺结构，会被立刻杀死。而卤胺结构可以经氯漂后再生；（3）产生的细胞残片或其他生物污染物可以被轻易的冲洗，从而维持纤维膜的清洁。

图1. （a）抗菌抗粘附纳米纤维膜的制备过程及工作原理 （b）纳米纤维膜的结构

实验结果表明, 该纳米纤维膜的活性氯含量高达约4500 ppm。在这些活性氯的作用下，即使引入了大量有机物 （COD = 1000 mg/L），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依然表现优异的灭杀效果。此外， 这种杀菌功能可以被循环使用并且可以长期储存。

图2. 在（a）COD = 0 和（b）COD = 1000 的条件下，氯化纤维膜灭杀大肠杆菌和李斯特菌的效果（c）氯化纤维膜的循环杀菌功能和（d）杀菌功能的存储稳定性

为了研究纤维膜的抗生物粘附性能， 研究人员使用了带有生物荧光信号的大肠杆菌进行了吸附和脱附实验。实验结果表明，在有过量的自由水条件下，通过形成水合层，纤维膜可以有效的减少大肠杆菌的粘附。在脱附实验中， 改性后的纤维膜在30分钟内可以实现99.9999% 细菌脱附，极大的提高了膜的清洁效率，保证了长效的高通量水净化应用。

图3. 在（a）少水和（b）富水环境下，纤维膜的抗细菌粘附效果 （c）和（d）纤维膜的细菌脱附效果

以上相关研究成果以 “Chlorine Rechargeable Biocidal N-Halamine Nanofibrous Membranes Incorporated with Bifunctional Zwitterionic Polymers for Efficient Water Disinfection Applications”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，该论文第一作者为加州大学戴维斯分校生物与农业工程系博士研究生马悅，通讯作者为孙刚教授。共同作者还有本校的Jiyoon Yi, 潘博丰，以及Nitin Nitin教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c14856

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