作為全球范圍內影響公共健康、生態環境和經濟發展的焦點問題，污染空氣中細微顆粒物（PM2.5）由于尺寸小、成分復雜、穿透性強，易被吸入到肺部后通過血液進入心臟、肝臟和腎臟等幾乎所有人體器官，甚至穿過血腦屏障進入大腦，嚴重危害人體健康。

為切斷PM2.5污染和病毒氣溶膠傳播，目前廣泛采用高分子纖維空氣過濾材料進行空氣凈化。盡管聚乳酸（PLA）因其良好生物降解性、高力學強度和易加工性而成為最具前景的纖維過濾材料，但受限于介電常數較低、極化效應差、電荷存儲能力低等缺陷，過濾性能尚不能滿足實際應用需求。因此，調控PLA分子鏈結構，提升PLA纖維膜的電活性，改善PLA纖維膜的過濾性能仍存在巨大挑戰。

近期，中國礦業大學職業健康研究院何新建教授/徐歡副教授團隊提出了“自增強電活性（SREA）”策略，有效調控PLA偶極子排列、分子鏈構象、纖維及其聚集體形態，進而顯著提高了PLA纖維濾膜的電活性、過濾性能和服役效能，并實現自供能呼吸健康監測。

相關工作以 “Biodegradable Electroactive Nanofibrous Air Filters for Long-Term Respiratory Healthcare and Self-Powered Monitoring”為題發表在ACS Appl. Mater. Interfaces期刊上。 在這項研究中，研究人員采用超高壓靜電場和高倍牽伸相結合的技術方法，使靜電紡PLA納米纖維細化和取向，顯著促進電活性組分的形成（包括β相、高取向分子鏈和C=O偶極子），從而提高了靜電紡PLA的介電、靜電極化和原位駐極性能。

鑒于自供能PLA納纖膜獨特有序的纖維排列結構和高電活性，PLA納纖膜具有優異且長效可持續的過濾性能。同時，自供能PLA納纖膜具有增強的摩擦電性能和優異的空氣和油性污染物凈化能力。“自增強電活性（SREA）”策略賦予長效過濾和呼吸監測功能集成，這對于發展可生物降解智能空氣過濾材料具有重要意義。

圖1 面向長效呼吸防護和自供能監測的高電活性可降解納米纖維空氣過濾膜

具體而言，該研究報道了一種高電活性自供能取向PLA納纖膜，可同時實現高靜電吸附和呼吸健康監測，具有良好的顆粒物濾除和呼吸狀態識別能力。結果表明，所制備的高電活性自供能PLA纖維膜具有極高的靜電吸附能力，且在“自增強電活性（SREA）”策略影響下，PLA纖維膜的介電常數得到了極大地提高，且與纖維膜的表面電勢形成了特殊的線性關系。同時，“自增強電活性（SREA）”策略對PLA纖維膜的摩擦電性能得到了促進影響，由高電活性PLA納纖膜組裝摩擦納米發電機的輸出電壓、電流和電荷分別達到了21.5 V、63.2 nA和26.7 nC。這對于改善PLA纖維膜的過濾性能和實現精準呼吸監測具有重要意義。

圖2 自供能PLA納纖膜的電活性和TENG特性

為了研究PLA纖維膜的過濾性能，研究人員首先研究了其在不通氣流量（10L/min、32L/min、65L/min、85 L/min）的空氣過濾性能（圖3a ~ 3f）。在最高空氣流量85 L/min時，對PM2.5和PM0.3的過濾效率仍能達到99.82%和90.68%。此外，將自供能PLA納纖膜在32 L/min下進行長達300 min的過濾后發現，其對PM0.3和PM2.5的過濾效率均保持在95%和99.8%的水準，且沒有出現顯著的降低，具有優異長效的過濾性能；而壓降僅增加了28 Pa（從82.4 Pa增加到110.7 Pa），滿足長期使用所需的低空氣阻力。

圖3 自供能PLA納纖膜的過濾性能

為探究摩擦電性能對過濾效率改善的重要作用，研究人員通過噴灑酒精對PLA纖維膜上的極化電荷進行消除，并在32 L/min的仿人呼吸氣流量下進行摩擦充電，并分別測試了過濾效率的變化（圖4）。結果發現，與傳統PLA纖維膜相比，自供能PLA納纖膜具有高電活性和良好的形貌控制，在規律的呼吸振動觸發下表現出卓越的TENG特性，在仿人呼吸振動（32 L/min）的激發條件下，使纖維膜表面電位從-0.14 kV增加到-1.43 kV；對PM0.3的捕捉效率從56.2%增加至94.3%，提高了近68%。同時，研究人員對其卓越的TENG機制進行了研究，以詳細監測個人呼吸特征，特別是那些引發輸出電壓大幅快速變化的特征，如說話，咳嗽，急促呼吸等。這使得在制造用于呼吸保健和自供能監測的環保空氣過濾器方面具有前景。

圖4 有助于提高自供能PLA納纖膜過濾性能的TENG機制

總體而言，研究所采用的“自增強電活性（SREA）”策略制備的自供能PLA納纖膜的表面電位和過濾性能得到大大提高。且自供能PLA納纖膜高電活性和良好的形貌控制表現出卓越的TENG特性，極大提高了對超細顆粒物的捕捉效率。同時，其卓越的TENG機制足以實現對人體呼吸特征的詳細監測。自供能PLA納纖膜具有理想的生物相容性和可降解性，有望應用于制造環保型空氣過濾器，實現高性能凈化和智能監測。未來，圍繞可降解纖維過濾膜在呼吸防護和智能監測領域的重要應用，團隊將繼續深入開展基于高電活性PLA纖維的呼吸防護和智能監測研究，特別是探索突發應急狀態、肺部疾病狀態下個體生命體征的智能監測。

審核編輯：劉清