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  根據2018年世界衛生組織的年度報告顯示，20億人在飲用被污染的水源，45億人并無有效方法來凈化水源，這種情況無疑增加了患病危險，危害公共健康。通常，膜過濾技術可以有效的阻斷水中細菌的傳播，但是沒有將其殺滅。此外，由于細菌的粘附作用可以使得其在過濾材料表面長時間的存活繁殖，進而形成具有抗藥性的生物膜。這不僅大大降低了材料的過濾效率及使用壽命，更重要的是大大增加了病菌的傳播風險。

  針對上述問題，加州大學戴維斯分校的孫剛教授與Nitin Nitin 教授科研團隊合作開發出一種同時具備殺菌和抗細菌粘附功能的納米纖維材料。通過將熔融自由基接枝聚合和表面交聯的方法分別將具有可再生殺菌功能的鹵胺結構和改性后具有兩性離子結構的聚乙烯亞胺固定在聚乙烯-聚乙烯醇的聚合高分子鏈上。該納米纖維膜可以通過建立三個層次的防護來實現對細菌污染的飲用水的高效凈化以及維持納米纖維膜自身的長效清潔：（1）在最初期，利用結合在纖維膜表面的水合層來減少病菌或其他生物污染物與其接觸；（2）當病菌接觸到纖維膜上的鹵胺結構，會被立刻殺死。而鹵胺結構可以經氯漂后再生；（3）產生的細胞殘片或其他生物污染物可以被輕易的沖洗，從而維持纖維膜的清潔。

圖1. （a）抗菌抗粘附納米纖維膜的制備過程及工作原理 （b）納米纖維膜的結構

  實驗結果表明, 該納米纖維膜的活性氯含量高達約4500 ppm。在這些活性氯的作用下，即使引入了大量有機物 （COD = 1000 mg/L），納米纖維膜對革蘭陰氏的埃希氏大腸桿菌以及革蘭陽氏的李斯特菌依然表現優異的滅殺效果。此外， 這種殺菌功能可以被循環使用并且可以長期儲存。

圖2. 在（a）COD = 0 和（b）COD = 1000 的條件下，氯化纖維膜滅殺大腸桿菌和李斯特菌的效果（c）氯化纖維膜的循環殺菌功能和（d）殺菌功能的存儲穩定性

  為了研究纖維膜的抗生物粘附性能， 研究人員使用了帶有生物熒光信號的大腸桿菌進行了吸附和脫附實驗。實驗結果表明，在有過量的自由水條件下，通過形成水合層，纖維膜可以有效的減少大腸桿菌的粘附。在脫附實驗中， 改性后的纖維膜在30分鐘內可以實現99.9999% 細菌脫附，極大的提高了膜的清潔效率，保證了長效的高通量水凈化應用。

圖3. 在（a）少水和（b）富水環境下，纖維膜的抗細菌粘附效果 （c）和（d）纖維膜的細菌脫附效果

  以上相關研究成果以 “Chlorine Rechargeable Biocidal N-Halamine Nanofibrous Membranes Incorporated with Bifunctional Zwitterionic Polymers for Efficient Water Disinfection Applications”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，該論文第一作者為加州大學戴維斯分校生物與農業工程系博士研究生馬悅，通訊作者為孫剛教授。共同作者還有本校的Jiyoon Yi, 潘博豐，以及Nitin Nitin教授。

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