四川大学刘公岩教授/南京大学陈朝见副教授《自然·通讯》：纳米纤维化胶原纤维网络，增强空气净化效果

随着PM2.5、生物气溶胶和挥发性有机物(VOCs)污染对全球公共卫生的威胁加剧，商用合成微纤维过滤器面临制造工艺复杂、不可生物降解、抗菌性弱等固有缺陷。特别是熔喷聚丙烯等材料因微米级纤维结构，难以有效拦截纳米级颗粒物和小分子VOCs，废弃后还会造成环境微塑料污染和病原体二次传播风险。虽然动物皮革衍生的胶原纤维网络(CFNs)具有天然层级结构和丰富表面功能基团，但其纤维束直径大于5微米，过滤效率受限，且蛋白质基底易滋生微生物，制约了实际应用。

四川大学刘公岩教授/南京大学陈朝见副教授合作提出物理-化学协同的纳米纤维化策略，通过两性离子共聚物功能化和锆离子稳定化处理，成功将胶原纤维束分散为120纳米的单纤丝，显著提升空气净化性能。该纳米纤维化胶原过滤器(Nano-CFN)对PM0.3的去除率达97%，甲醛清除效率提升近一倍（93% vs 48%），同时可捕获灭活99%以上的细菌气溶胶。生命周期评估证实其兼具生物降解性和成本效益，为大规模生产可持续空气过滤器开辟新路径。

图1揭示了胶原纤维的层级结构：1.5纳米三股螺旋肽链组装成20-200纳米原纤维，再聚集成5-100微米纤维束。研究人员采用两步法解聚纤维——先通过聚（磺基甜菜碱-甲基丙烯酸酯-共-甲基丙烯酸缩水甘油酯）(PSG)改性增强亲水性，利用水合层促进纤维溶胀分散；再经锆离子处理，通过钝化活性基团阻止氢键重组，并在原纤维交联处形成多核配位络合物稳定结构。经此处理，纤维平均直径从5.4微米降至120纳米，成功制备出85×50厘米的大面积纳米纤维膜。

图1 | 胶原纤维网络的纳米纤维化 A) CFNs三维层级结构及两步纳米纤维化策略示意图 B) 氢键诱导的原纤维聚集机制 C) PSG共聚物增强水吸附促进纤维分散 D) 锆配位钝化活性位点稳定纳米纤维结构 E) 大面积Nano-CFN膜实物图 F-G) CFN与Nano-CFN截面/表面电镜对比 H) 纤维化前后直径统计分析

图2通过光谱分析验证改性机制：红外光谱显示PSG-CFN在1106 cm⁻¹(C-O-C)和1038 cm⁻¹(-SO₃)处出现特征峰；XPS检测到锆信号峰(185.0/330.0 eV)；N 1s谱中402.3 eV处的C-N⁺峰证实季铵基团存在。计算模拟表明，PSG的磺酸基团通过静电作用增强水分子结合形成水合层，而[Zr(OH)₂(aq)]²⁺可置换结合水分子与活性基团配位。差示扫描量热证实PSG改性使水结合量从1.28 g/g增至1.83 g/g，锆处理后稳定在1.61 g/g。

图2 | 纳米纤维化CFNs表征 A) 各处理阶段胶原纤维FTIR光谱 B) 不同样品XPS全谱 C-E) Nano-CFN的N 1s、C 1s、O 1s高分辨谱 F) XRD图谱对比 G) PSG表面电荷密度计算 H) 锆物种与二肽相互作用能谱 I) 样品水熔融-蒸发曲线 J-K) 机械性能与热变性温度

图3展示空气净化性能：纳米纤维化使孔隙率从40.88%增至75.54%，形成以2.8纳米为主的多级孔道。相比原始胶原膜，Nano-CFN对PM0.3的拦截率从89%升至97%，甲醛清除率从48%跃至93%，优于三层商用H13过滤器。其品质因子(QF)和容尘量(DHC)显著提升，在50次循环测试中保持95%以上效率。实际净化测试表明，200分钟内可将甲醛从10 ppm降至安全值(<0.6 ppm)，15分钟使PM2.5从>3000 μg/m³降至<35 μg/m³。

图3 | 空气净化性能 A) 实验装置及过滤机制 B) 甲醛去除率对比（3×H13为三层H13滤芯） C) 不同尺寸颗粒物过滤效率 D) 截留PM后的电镜图像 E) 孔径分布对比 F) 风速-压降关系 G) 品质因子与容尘量 H-I) 商用净化器动态性能 J) 与同类材料性能对比

图4证实抗菌功能：锆离子与磺酸基配位使季铵基团电荷密度增加（Zeta电位达+13.4 mV），实现广谱抗菌。在98%湿度下存放30天无霉变，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的灭活率超99.99%，30分钟内快速杀菌。共聚焦显微镜显示细菌膜被破坏（红色碘化丙啶荧光渗透），电镜观察到膜皱缩穿孔和胞质泄漏。经50次循环，微生物气溶胶捕获率和杀菌效率仍保持98%以上。

图4 | 抗菌与生物气溶胶拦截 A) 抗菌机制示意（季铵盐接触杀菌） B) Zeta电位变化（Zr-CFN为锆交联CFN） C) 98%湿度下防霉性能 D) 细菌灭活效率 E-F) 金黄色葡萄球菌/大肠杆菌气溶胶拦截 G) 循环抗菌稳定性

图5评估环境与经济性：酶降解实验显示，经草酸/EDTA脱锆处理后，15天内降解率达99%；模拟填埋63天后完全降解，而H13滤膜无变化。生命周期分析表明，Nano-CFN在18项环境指标中16项优于PP/PET/玻璃纤维，每吨生产成本仅1140美元（低于PP纤维的1437美元）。其原材料成本占比高，预示利用皮革废料可进一步降本。

图5 | 环境与经济分析 A) 全生命周期示意图 B) 脱锆处理后酶降解 C) 填埋降解对比 D) 环境指标雷达图（归一化处理） E) 成本构成分析 F) 综合性能对比图

总结展望

该研究通过仿生设计实现胶原纤维的纳米级重构，创建了集污染物拦截、化学吸附、微生物灭活于一体的多功能空气净化平台。未来通过优化纤维化工艺提升产品均一性，并在真实环境中验证长期稳定性，有望推动该技术在医院、实验室等场景的应用。这种基于动物生物质的可持续策略，不仅为空气净化提供新材料，更为传统皮革工业的绿色转型提供新范式。

来源：高分子科学前沿

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