口罩和个人防护装备 (PPE) 一直是一个充满争议的话题，但已被证明在减缓传播方面行之有效。如今，随着奥密克戎 BA.5 和 BA.2.75 变异株感染病例呈指数级增长，改进口罩技术变得至关重要。新冠疫情暴露了口罩研发和生产流程中的不足。然而，口罩的创新对于减缓病毒新变异株的传播至关重要。
口罩在许多方面都有改进空间，但本文重点探讨改进过滤和微生物去除效果的相关新兴科学。
知识产权与研究的快速增长
CAS Content Collection™显示，全球学者正致力于研究如何提高面部遮盖物的有效性。目前已发表了超过 17,000 篇关于口罩的文献，其中超过一半发表于过去两年（图 1）。值得注意的是，专利申请数量出现了显著增长，中国、美国和日本处于领先地位（表 1）。
表 1. 口罩研发相关专利在主要申请国之间的分布情况
口罩能阻挡什么？
呼吸道飞沫是传播 SARS-CoV-2 的主要载体，小于 5μm 的飞沫通常被归类为气溶胶。感染者直接呼出的气溶胶颗粒和飞沫是 SARS-CoV-2 的主要传播方式。气溶胶悬浮在空气中，在感染传播中起着关键作用。这凸显了限制气溶胶传播的重要性，因此口罩已被确定为疫情防控的重要工具。
口罩的现行工作原理
最简单的口罩仅由两层家用织物组成，但其效果仍优于不佩戴口罩。过滤效率对于小于 300nm 和大于 300nm 的颗粒，可以通过使用不同的织物来提高。这是棉布的机械过滤与由丝绸等材料组成的另一层织物的静电过滤协同作用的结果（图 2A）。
新冠疫情期间使用最广泛的三层外科口罩由三层无纺布组成（图 2B）。口罩的三层结构协同工作，保护佩戴者免受有害空气颗粒的侵害。外层防水，中间层过滤病原体，内层截留呼吸道飞沫。无纺布价格低廉且易于制造，这使得公众能够轻松获取。
改进口罩的新进展
新型聚合物材料、特定聚苯乙烯和聚碳酸酯的应用，使得口罩在以下两个方面得到了改进：
1. 更优的过滤性能：通过材料开发减小孔径，从而捕获并过滤微小颗粒和病原体
2. 更强的微生物清除能力：通过涂层应用和自清洁特性，增强抗菌性能
提升过滤效率
空气过滤口罩的效能取决于纤维直径、膜厚度和透气性。目前的颗粒物过滤器多由聚合物纤维或玻璃纤维制成，用于拦截不同尺寸的颗粒。近期，研究人员开发出新型微孔膜过滤器，其表面积更大，在捕获颗粒物和降低空气阻力方面表现出更高的效率。
聚合物纳米纤维膜
将纤维直径减小至纳米级，可显著增加表面积并提升颗粒拦截效果。静电纺丝技术被用于制造 纳米纤维膜，该材料具有良好的透明度、高过滤效率和轻量化特点。目前已开发出多种由不同材料制成的 静电纺纳米纤维膜，这些膜具有不同的表面特性，适用于各类空气过滤口罩。
驻极体膜
由于具有更远的吸引距离，静电空气过滤器在捕获颗粒方面比被动式膜更有效。原位充电、电晕充电和摩擦充电这三种充电技术可用于 制造驻极体膜。纳米颗粒（如聚四氟乙烯、氮化硅、硬脂酸镁等）通常被用作电荷增强剂。通过静电纺丝的原位充电技术，已开发出多种混合驻极体过滤器。例如，一种 含有硬脂酸镁的静电纺聚乙烯/聚丙烯膜，其表面电位达到 4.78kV，过滤效率高达 98.94%。
一种 摩擦纳米发电机 已被发明出来，用于提升纳米纤维空气过滤器的颗粒拦截效果。该发电机可将人体运动等机械能转化为电能，非常适合应用于 自供电可穿戴设备。
一种 配备摩擦纳米发电机的 自供电静电吸附口罩，展现出了显著提升的颗粒清除效率。这是另一种由多层尼龙和聚四氟乙烯织物制成的 空气过滤器，在清除口罩上的颗粒物方面同样表现出色。
提升微生物清除能力
尽管过滤器可以拦截物质，但细菌、病毒和真菌等微生物仍会附着在滤材表面。因此，开发具有抗菌性能的空气过滤器至关重要。目前，多种抗菌剂已被用于赋予材料杀菌特性，包括天然产物、金属纳米颗粒、金属有机框架（MOFs）、石墨烯等。
某些天然提取物因含有黄酮类化合物而表现出极强的抗菌活性。茶树油、橄榄提取物、葡萄柚籽和苦参等天然产物已被喷涂在纤维聚合物过滤器的表面，从而提供 良好的抗菌活性。
金属材料的新应用
金属纳米颗粒 具有广谱抗菌活性。其杀菌机制包括：
1. 带正电的纳米颗粒与带负电的细菌细胞壁产生静电吸引，导致细胞壁破裂并增加渗透性。
2. 金属离子通过诱导产生活性氧（ROS）造成氧化应激，从而损伤细胞，破坏细胞功能并最终导致细胞死亡。
银纳米颗粒 具有抗菌特性，因此常被用于 提升口罩在预防疾病传播方面的效能。
铜 和 氧化铜 均具有强大的杀菌性能，已被整合到纺织品及其他产品中，以赋予其抗菌和抗病毒特性。铜纳米颗粒的主要作用机制是在氧化过程中产生活性氧（ROS）。
石墨烯 及其衍生物因其巨大的表面积在增强抗菌活性方面得到了广泛研究。近期一项研究表明，石墨烯涂层表面可用于提高表面温度并灭活微生物。在太阳光照射下，局部会迅速升温，超过 90% 的 空气传播细菌被迅速杀灭。通过这种方式，可以实现 自消毒可重复使用石墨烯口罩。
新型净化方法
光催化氧化空气净化是一种利用光活化催化剂与有机污染物发生反应并将其氧化的过程。它利用太阳光或人造光将多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）纳米颗粒的口罩已展现出有效的过滤性能。研究发现，一种涂有ZnO纳米颗粒的聚酯纤维口罩可减少98%的表面细菌。
多功能空气过滤器能够同时去除颗粒物和微生物，已被证明行之有效。近期，一种包裹Ag/ZnO纳米棒的PTFE纳米纤维膜被研发出来，对大肠杆菌（E.coli）具有出色的抗菌活性。
另一种空气过滤器由碳纳米管和银纳米颗粒制成，其中碳纳米管填充了过滤器的孔隙。在具有高比表面积的碳纳米管上负载银纳米颗粒，增强了其抗菌效率。
金属有机框架过滤器
金属有机框架（MOFs）是由多齿有机配体配位而成的多孔晶体材料。由于其高孔隙率和可调的孔径，它们是极佳的过滤材料。
例如，将沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）纳米晶体掺入静电纺丝聚酰亚胺膜中，极大地提高了过滤器的过滤效率。基于MOF的过滤器可在塑料网或无纺布等多种基材上制备，这些过滤器在去除颗粒物方面表现优异。
展望未来
口罩是减缓奥密克戎BA.5和BA.2.75等呼吸道病毒变异株传播的有效手段。口罩过滤和微生物去除技术的新进展，对于减缓未来病毒的传播及应对变异株至关重要。
了解更多关于BA.5等新冠病毒变异株的信息，以及如何通过疫苗、疗法和口罩相结合的综合手段帮助我们实现持续免疫。
