关于是否佩戴口罩和个人防护装备 (PPE) 的问题一直争议不断，但事实证明，这些措施可有效减缓病毒传播。 当前，随着奥密克戎 BA.5 和 BA.2.75 变异株感染病例数激增，口罩改进技术变得至关重要。 COVID 疫情暴露出口罩开发和生产过程中存在缺陷。 然而，口罩的创新对于减缓 COVID 病毒新变异株的传播尤为重要。
口罩有许多方面可以进行改进，本文将重点介绍改进过滤和微生物去除的新兴科学。
口罩相关专利和研究文献量迅速增长
CAS 内容合集™ 中的数据表明，全球的研究人员都在关注如何使口罩的防护效果更佳， 与口罩相关的出版物已经超过 17,000 篇，其中一半以上在过去两年内出版（图 1）。 值得注意的是，与口罩相关的专利申请量也在过去两年内激增，中国、美国和日本是专利申请量领先的国家（表 1）。
表 1. 口罩专利申请量排名靠前的国家/地区的专利分布
口罩可以阻挡什么？
呼吸道飞沫是 SARS-CoV-2 传播的主要媒介，小于 5μm 的飞沫通常被称为气溶胶。 感染者直接呼出气溶胶颗粒和飞沫是 SARS-CoV-2 的主要传播方式。 气溶胶形成后仍将悬浮在空气中，是病毒传播的重要途径。 由此可见，限制气溶胶的传播至关重要，因此口罩已被视为控制疫情的重要工具。
口罩作用原理
最简单的口罩可能只包括两层家用织物，但仍然比完全不戴口罩有效。 通过使用不同织物可以分别提高对 300 nm 的颗粒的过滤性能。 下图展示了棉花层的机械过滤作用与丝绸类材料层的静电过滤作用的协同效应（图 2A）。
由不同功能的无纺布制成的三层外科口罩（图 2B）。 三层布料共同作用，防止佩戴者接触空气中的有害颗粒。 外层防水，中层过滤病原体，内层捕获呼吸道飞沫。 无纺布价格便宜且易于制造，因此易于为公众所接受。
口罩改进的新进展
借助新型高分子材料、特定的聚苯乙烯和聚碳酸酯，可在以下两个方面对口罩进行改进：
1. 更佳的过滤效果：开发更小孔径的材料，从而更好地捕获和过滤小颗粒和病原体
2. 提高除菌效率：通过应用涂层和自清洁性能提高抗菌性能
提高过滤性能
空气过滤式口罩的性能取决于织物纤维直径、膜厚度和透气性。 目前，颗粒物过滤材料由聚合物纤维或玻璃纤维制成，可捕获各种大小的颗粒。 最近，具有更大表面积的新型小型薄膜过滤材料已被开发出来。 此类过滤材料在捕获颗粒和降低空气阻力方面具有更高的效率。
聚合物纳米纤维膜
将纤维直径降至纳米级，可增加表面积并提高颗粒去除率。 静电纺丝可用于制造透明度好、效率高且重量轻的纳米纤维膜。 已由不同材料制成多种电纺纳米纤维膜。 这些膜具有不同的表面特性，可用于空气过滤式口罩。
驻极体膜
由于静电空气过滤材料的捕获距离较大，因此其捕获颗粒的效率比被动膜更高。 驻极体膜可应用三种充电技术：原位充电、电晕充电和摩擦充电。 纳米粒子（如聚四氟乙烯、氮化硅、硬脂酸镁等）通常用作电荷增强剂。 科学家们利用静电纺丝原位充电技术开发出了多种复合驻极体过滤材料， 例如，含有硬脂酸镁的电纺聚乙烯/聚丙烯膜的表面电位为 4.78kV，过滤效率高达 98.94%。
目前已经发明了一种摩擦生电纳米发电机，可通过纳米纤维空气过滤材料有效去除颗粒。 这种摩擦纳米发电机通过人体运动等机械运动产生能量，适用于自供电可穿戴设备。
配备摩擦生电纳米发电机后，自供电静电吸附口罩的颗粒去除率显著提高。 这种空气过滤器由多层尼龙和聚四氟乙烯织物制成， 还可有效去除口罩上的颗粒。
提高微生物去除率
当过滤材料捕获物质时，微生物（如细菌、病毒和真菌等）会附着在过滤材料表面。 因此，需要具有抗菌性能的空气过滤材料。 迄今为止，科学家们为制备抗菌口罩已对多种抗菌剂进行了研究， 包括：天然产物、金属纳米颗粒、MOFs、石墨烯等。
某些天然提取物由于含有黄酮类化合物而表现出高抗菌活性。 茶树油、橄榄提取物、葡萄柚籽和苦参等天然产物已被喷洒于纤维聚合物过滤材料表面，并表现出了良好的抗菌活性。
金属在口罩中的新应用
金属纳米粒子具有广谱抗菌活性。 其杀菌作用机制包括：
1. 带正电的纳米颗粒被带负电的细菌细胞壁吸引，导致细胞壁破裂及通透性增强。
2. 金属离子可通过引起活性氧 (ROS) 的产生来破坏细胞，进而引起氧化胁迫， 破坏细胞功能，并最终杀死细胞， 破坏细胞功能并最终杀死细胞。
银纳米粒子具有抗菌特性，因此通常用于提高口罩防止疾病传播的效率。
铜和氧化铜都具有强大的灭菌特性，并已纳入具有抗菌和抗病毒特性的纺织品和其他产品。 铜纳米粒子的主要作用机制是在氧化过程中产生 ROS。
石墨烯及其衍生物， 利用其较大表面积来增强抗菌活性的研究已进行的非常广泛。 最近的一项研究表明，涂覆石墨烯的表面可用于提高物体表面温度和杀灭微生物。 在太阳照射下，会出现快速局部加热，并迅速杀死超过 90% 的空气传播细菌。 如此，可实现可重复使用的自消毒石墨烯口罩。
新净化方法
光催化氧化空气净化过程涉及光活化催化剂，该催化剂与有机污染物发生反应以将其氧化。 该过程利用太阳能或人造光将各种空气污染物降解为无毒形式。
包含二氧化钛 (TiO2) 或氧化锌 (ZnO) 纳米粒子的口罩具有良好的过滤效果。 研究发现，由涂覆 ZnO 纳米颗粒的聚酯织物制成的口罩可灭杀 98% 的表面细菌。
多功能空气过滤器已经证明有效，可同时去除颗粒和微生物。 最近，科学家制造出了一种包覆 Ag/ZnO 纳米棒的聚四氟乙烯纳米纤维膜，其对大肠杆菌 (E.coli) 具有出色的抗菌活性。
还有另一种空气过滤器由碳纳米管和银纳米颗粒制成，其中纳米管填充过滤器的孔隙。 将银纳米颗粒负载到高表面积碳纳米管时可提高其抗菌效率。
金属-有机框架过滤器
金属-有机框架 (MOF) 是与多齿有机配体配位的多孔结晶材料。 此类过滤器具有高孔隙率和可调孔径，性能非常出色。
例如，在电纺聚酰亚胺膜中加入沸石咪唑酯骨架 8 (ZIF-8) 纳米晶体可大大提高过滤器的过滤效率。 基于 MOF 的过滤器可使用多种基材制成，例如塑料网或无纺布。 此类过滤器还具有较高的颗粒去除率。
展望未来
佩戴口罩可有效减缓呼吸道病毒（如奥密克戎 BA.5 和 BA.2.75 变异株）传播。 口罩过滤和微生物去除方面的新技术和新进展对于减缓未来病毒传播和变异速度至关重要。
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