1、医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023新型冠状病毒防护功能性口罩的研究进展刘若锦，邢娣娣，甄晓兰，李挥，马宁*，耿燕*（河北省药品医疗器械检验研究院，石家庄 050227）摘要介绍了防护新型冠状病毒的功能性口罩，如抗菌抗病毒型口罩、可生物降解型口罩、自清洁口罩和电子智能口罩的研究进展，分析了各种功能性口罩的优势和不足，指出了在优化现有功能性口罩性能的同时，开发具有多重功能的新型口罩是未来的研究热点。关键词新型冠状病毒；新型冠状病毒感染；口罩；功能性口罩；病毒防护中国图书资料分类号R31
2、8.6；TH771.3文献标志码A文章编号1003-8868（2023）01-0097-10DOI：10.19745/j.1003-8868.2023017Research progress of functional masks for protection againstSARS-CoV-2LIU Ruo-jin,XING Di-di,ZHEN Xiao-lan,LI Hui,MA Ning*,GENG Yan*(Hebei Institute for Drug and Medical Device Control,Shijiazhuang 050227,China)AbstractThe
3、 research progress of several functionalized masks for preventing SARS-CoV-2 were summarized includingantibacterial and antiviral masks,biodegradable masks,self-cleaning masks and electronic smart masks,and the advantagesand disadvantages of the functionalized masks were analyzed.Its pointed out mul
4、tifunctional mask would be a hot researchtopic in the future while the performances of existing functionalized masks were enhanced.Chinese Medical EquipmentJournal，2023，44（1）：97-106Key wordsSARS-CoV-2;COVID-19;mask;functionalized mask;virus protection0引言新型冠状病毒感染（coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情自
5、发生以来在全球迅速蔓延，严重威胁了人民的生命安全和身体健康1。截至 2022 年 5 月21 日，世界卫生组织报告的 COVID-19 确诊病例超过 5.17 亿例，死亡人数超过 620 万例2。新型冠状病毒（severe respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2）与 2002 年发现的冠状病毒（severe respiratorysyndrome coronavirus，SARS-CoV）和 2012 年发现的中东呼吸综合征冠状病毒（middle east respiratorysyndrome coronavirus，MERS-CoV）具有
6、一定的序列相似性和结构同源性3。但与其他 2 种病毒相比，SARS-CoV-2 的传染性更强，潜伏期一般为 114 d，个别病例甚至超过 14 d4-6。而具有一定传染性的无症状感染者和“德尔塔”“奥密克戎”等新型变异菌株的出现使疫情形势更加严峻7-9。COVID-19 的这些特点大大地增加了检测、监测和阻止其传播的难度。与其他呼吸道病原体类似，SARS-CoV-2 可通过接触、飞沫和空气传播10。一般认为，呼出的直径大于 5 m 的颗粒落在 1 m 以内，而呼出的直径5 m的颗粒可通过空气传播，这些颗粒会在空气中形成气溶胶并漂浮一段时间，甚至还能移动很长一段距离11。因此，除了自身保持良好的
7、卫生习惯和与他人保持一定的社交距离以控制接触传播、污染物传播之外，佩戴个人防护装备、采取隔离措施等方式对于防止该病毒通过气溶胶传播也非常重要。口罩可作为防止病毒传播的物理屏障12，是最有效和必要的个人防护装备，在疫情防控中发挥了重要作用13。目前，最常用的口罩是外科口罩和 N95 口罩14。但是，当有症状和无症状的患者佩戴口罩时，接触传播可通过接触口罩发生。而全球每天使用的口罩非常多，丢弃的口罩日益成为生物污染废物的来基金项目：河北省“三三三人才工程”资助项目（A202001059）；河北省药品监督管理局科技计划项目（2022ZC1027）作者简介：刘若锦（1989），女，硕士，工程师，主要从
8、事体外诊断试剂的研究和检验工作，E-mail：。通信作者：马宁，E-mail：；耿燕，E-mail：刘若锦，邢娣娣，甄晓兰，等.新型冠状病毒防护功能性口罩的研究进展J.医疗卫生装备，2023，44（1）：97-106.General Review综述 97 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023源，还会对环境构成严重威胁。因此，在 COVID-19大流行期间，许多研究人员致力于开发具有内在抗菌、可生物降解、自清洁功能和智能的口罩，以应对口罩的短缺、交叉感染和二次传播风险。本文综述近年来
9、抗菌抗病毒型口罩、可生物降解型口罩、自清洁型口罩和电子智能口罩的研究进展，并对存在的主要问题进行分析，以期为后续研究提供参考。1抗菌抗病毒型口罩吸附在普通口罩表面 90%以上的细菌在 8 h 后仍然具有细菌活性。因此，口罩的使用和处置不当会带来很高的感染风险。对口罩有效消毒的方法主要有 2 种：化学消毒和热消毒。然而，采用异丙醇和乙醇等化学物质消毒，会显著降低非无纺布的过滤性能15。热消毒是基于一些细菌和病毒的刺突蛋白和病毒 RNA 在 70 以上的温度下不稳定来实现的16，但需要加热箱等额外的热源。因此，迫切需要开发内在抗菌型口罩。1.1金属及其氧化物改性的抗菌抗病毒型口罩金属及其氧化物主要
10、是通过抑制细菌和病毒附着、产生高活性的氧和自由基以及破坏细菌和病毒的结构等方式来达到抗菌和抗病毒的目的。银纳米粒子的粒径控制是保持其抗菌效果的关键。当银纳米粒子的粒径足够小时，能够穿过细菌的细胞壁，从而对细胞壁和 DNA 产生破坏作用。Kharaghani 等17将聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）浸渍在硝酸银溶液中，通过原位合成制备了 PAN/银纳米纤维复合膜，成功开发出可洗涤的抗菌型口罩。该研究发现，低用量的银纳米粒子即可使 PAN/银纳米纤维复合膜具有优异的抗菌活性和生物相容性。值得注意的是，银可以与 PAN 热解过程中产生的螯合芳香杂环形成非常稳定的配合物，保证了银
11、在 PAN/银纳米纤维复合膜表面的稳定存在。该研究中，用去离子水洗涤 120 h 后，PAN/银纳米纤维复合膜仍具有优异的力学性能和抗菌性能。在抗击 COVID-19疫情中，PAN/银纳米纤维复合膜可作为抗菌型口罩最合适的材料之一。铜纳米颗粒是通过破坏病毒的膜结构达到对病原体快速杀菌的效果18。铜纳米颗粒价格低廉，可以吸收可见光，是很有前景的光催化剂19-20。而紫胶是一种天然疏水性低成本生物聚合物。Kumar 等18通过对聚丙烯（polypropylene，PP）无纺布纤维表面进行纳米复合改性，制备出一种光活性抗病毒口罩（photoactive antiviral mask，PAM），通过喷
12、雾技术沉积粒子的方法将紫胶/铜纳米颗粒的纳米涂层与双通道喷雾相结合涂覆于 PP 非织造外科口罩上。这种涂层结合了光催化和光热性能，具有优异的光活性，在太阳的光照下，该涂层的温度可迅速上升到 70 以上，产生大量自由基，可以破坏直径约为 100 nm 的病毒颗粒的膜（如图 1 所示）。采用该方法制备的易于去污且具有抗菌特性的可重复使用口罩可以为抗击 COVID-19 疫情提供一种有效的预防工具，有助于阻断 SARS-CoV-2 气溶胶的传播。普朗尼克 F-127是一种生物相容性好、毒性低的三嵌段共聚物，其两亲性结构使其成为疏水药物和纳米颗粒油-水相转移的理想材料。沸石咪唑框架 8（zeo-lit
13、eimidazoleframe8，ZIF-8）是一种多孔金属有机框架（metal organic fra-mework，MOF）材料，在室温条件下易于合成，在催化、成像、储气和抗菌等方面具有广阔的应用前景。Kumar等21采用一种简单的浸渍涂层技术，同时结合锌和铜的优点，制备出可重复使用的新型抗菌口罩。先以生物相容性优异的普朗尼克 F-127 嵌段共聚物为稳定剂，制备平均直径为 80nm 的铜 ZIF-8 核壳纳米线（CuZIF-8 nanowires，CuZIF-8 NWs）。再将CuZIF-8 NWs 分散在 PP 层中，用乙醇简单浸渍涂层，可将其固定在 PP 层上。这种改性既保证了 PP
14、 的疏水性没有显著下降，还提高了口罩的过滤效率。与铜纳米线（Cu nanowires，Cu NWs）和 ZIF-8 相比，CuZIF-8 NWs 表现出更强的抗菌活性。此外，该涂层具有光热稳定性，利用该涂层制备的口罩能够多次重复使用，有助于应对 COVID-19 疫情时期口罩短缺的风险。值得注意的是，使用纳米金属或金属氧化物，特别是直径约为 50 nm 以下的银纳米颗粒具有毒性，可穿透人体皮肤，对人体产生过敏或其他副作用22。此外，为了合成这些纳米颗粒，使用了刺激性强的化学物质，这也对环境和人体健康造成了潜在的风险23。1.2石墨烯及其氧化物改性的抗菌抗病毒型口罩石墨烯赋予口罩的关键和独特性能
15、包括：（1）石墨烯的超疏水性，可增加口罩的抗湿能力；（2）石墨烯具有良好的电热性能，可产生局部高温，容易使微图1太阳照射后，PAM通过光热、光催化和疏水自清洁过程灭活呼吸液滴中的病毒示意图18刘若锦，邢娣娣，甄晓兰，等.新型冠状病毒防护功能性口罩的研究进展J.医疗卫生装备，2023，44（1）：97-106.General Review综述 98 医疗卫生装备2023年1月第44卷第1期Chinese Medical Equipment JournalVol 44No 1January2023生物失活；（3）石墨烯基纳米材料具有固有的抗菌性能24。据报道，SARS-CoV 在 56 下可以在
16、15 min 内灭活25-26。这是因为热可以使蛋白质的二级结构变性，可以改变参与宿主细胞内附着和复制的病毒粒子蛋白质的构象27。而利用石墨烯材料的宽带吸收特性28，将其暴露在阳光下即可达到该温度。Shan等29研制了一种低成本、自杀菌性能好、携带方便的新型电热口罩。首先，将一种柔软的导电布带粘贴在由熔喷无纺布（melt-blown nonwoven fabric，MNF）制成的过滤层的表面，该过滤层充当电极。然后，在MNF 上涂覆一层具有良好导电和导热性能的石墨烯油墨层（石墨烯油墨=还原氧化石墨烯+硅改性丙烯酸树脂+氨基树脂+聚乙烯吡咯烷酮+水）（如图 2所示）。石墨烯改性的 MNF 具有高电导率和热导率，当施加 3 V 的低电压时，能迅速产生 80 以上的高温，有效杀灭污染滤层和口罩表面的细菌与病毒。产生的热量还能及时清除口罩内的水蒸气，提高佩戴者的舒适度。同时，与其他加热设备相比，通过电池驱动自消毒，携带方便且节能显著。与未经处理的 MNF相比，石墨烯处理后口罩（graphene modified mask，GMM）的透气性和过滤效率无显著下降。而且折叠/展开 200 次后，口罩
