新型冠狀病毒(COVID-19)疫情的發生,使得人們開始重視環境安全問題,有了公共健康意識,也樹立了消毒觀念。即便現在已處于后疫情時期,但消殺類產品和相關服務在未來很長一段時間都會保持熱度。從各種大型公共場所,如醫院、超市、學校,到個人生活環境,如社區、家庭等,都會長期存在。消殺將演變成為長期需求。應對類似新冠病毒這一類重大公共衛生事件的突發,關鍵是迅速切斷新型冠狀病毒的傳播途徑,從而降低交叉感染的發生率。口罩成為了最直接有效的個人防護措施和常態化的防護工具。

公共衛生突發事件,導致了應急物資需求急劇增長。在疫物資產業快速發展升級的同時,環境污染問題也隨之誕生(圖1)。一次使用的防疫物資,主要是指口罩、防護服等,都需要在短時間內更換。而這些材料是由石油基高分子制備,無法降解,且有效回收處理的方式有限且成本高。據Ocean Asian統計,每分鐘大約有300只口罩被廢棄,造成每年15億噸塑料流入海洋。由于防疫物資本身不具備消殺致病微生物的特,被廢棄在環境中的防疫塑料成為了一顆攜帶病毒的定時炸彈。

日,環境科學世界頂級期刊Journal of Hazardous Materials雜志發表了一項低成本、安全可靠、環境友好的對廣譜致病微生物高效消殺的工作,題為“Imparting reusable and SARS-CoV-2 inhibition properties to standard masks through metal-organic nanocoatings”,技術本身來自邦家生物首席科學家郭俊凌教授領導的哈佛大學與四川大學聯合研發團隊,以及與哈佛大學張興才教授團隊、湖北疾病預防控中心蔡昆教授團隊的合作。該技術主要包含由植物多酚組成的消毒殺菌噴霧,通過簡單均勻噴涂于任何物體表面,如公共場所高頻接觸部位(辦公室桌面、水龍頭、電梯按鈕、門把手等)、家庭餐桌、廚房餐具、水果蔬菜等,便可實現殺菌消毒效果,而且接觸人體不會產生毒副作用。該技術在論文中應用于普通口罩,進行了抗新冠病毒、再生循環使用等核心能的展示。

這種由植物多酚為主構成的納米噴霧被簡單均勻噴涂于任何口罩(市售一次防護口罩、N95口罩、家用棉布、家用聚酯纖維布等)表面時,在口罩微納米纖維表面形成致密均勻的生物基納米涂層,使口罩對吸附的有害細菌和新冠病毒進行有效地抑制和滅活。最重要的是由于該納米涂層可以簡單的分解,通過簡單的清洗,可以去除口罩表面致病微生物后,可實現再次佩戴使用,減少口罩更換頻次,降低環境污染。

這項高效消殺的技術以植物多酚為核心材料,利用其與金屬離子的動態結合特,實現對常見細菌和病毒的協同消殺(圖2)。新冠病毒SARS-CoV-2的斑塊實驗和細胞病變效應實驗表明,由于植物多酚可以抑制病毒蛋白的表達,銅離子(Cu2+)可以產生ROS破壞病毒RNA等,二者的協同效應使得形成的生物基納米涂層能有效抑制SARS-CoV-2對Vero-E6細胞的感染,對高斑菌濃度(105 PFU mL–1)的SARS-CoV-2仍然表現出強抑制能力。此外,植物多酚納米涂層對大腸桿菌(E. coli)等常見細菌也具有強殺滅能力,抑制率高達99%。植物多酚納米涂層的抗菌抗病毒能,使得功能化口罩避免了現有醫用口罩使用過程中由于表面殘留有活致病微生物帶來的二次感染風險。

此外,在口罩及家用織物表面形成的植物多酚納米涂層可以起到屏蔽層的作用,以防止氣溶膠攜帶的病毒細菌或者環境顆粒物(PMs)穿透口罩進入人體。(圖1)由于植物多酚與各種基材產生多重相互作用(氫鍵、靜電相互作用和疏水鍵等),噴涂的生物基納米涂層可以捕獲氣溶膠顆粒和PMs顆粒,將其粘附在口罩和織物的外纖維表面,實現高效的過濾防護能(圖3)。

口罩的循環使用,主要是通過植物多酚基納米涂層的清洗和再生而實現。在溫和的弱酸條件下(如噴灑低濃度的醋酸溶液),植物多酚基納米涂層分解,同時帶走殘留的病毒和細菌碎片。重新噴涂植物多酚溶液,可以構建新的功能化納米涂層,且不影響抗菌抗病毒、過濾顆粒物等質(圖4)。

該工作融合化學、材料學、生物醫學等多學科知識和技術,從生物質高值資源化利用角度出發,圍繞植物多酚生物質資源,研究開發具有綠色化學屬、可持續化的新型生物質基消殺噴霧,同時嘗試解決對呼吸道傳染病的預防問題。