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  根據(jù)2018年世界衛(wèi)生組織的年度報(bào)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(xiǎn)，危害公共健康。通常，膜過濾技術(shù)可以有效的阻斷水中細(xì)菌的傳播，但是沒有將其殺滅。此外，由于細(xì)菌的粘附作用可以使得其在過濾材料表面長時(shí)間的存活繁殖，進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。

  針對上述問題，加州大學(xué)戴維斯分校的孫剛教授與Nitin Nitin 教授科研團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出一種同時(shí)具備殺菌和抗細(xì)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(lián)的方法分別將具有可再生殺菌功能的鹵胺結(jié)構(gòu)和改性后具有兩性離子結(jié)構(gòu)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(gè)層次的防護(hù)來實(shí)現(xiàn)對細(xì)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(jié)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(dāng)病菌接觸到纖維膜上的鹵胺結(jié)構(gòu)，會(huì)被立刻殺死。而鹵胺結(jié)構(gòu)可以經(jīng)氯漂后再生；（3）產(chǎn)生的細(xì)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(jié)構(gòu)

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該納米纖維膜的活性氯含量高達(dá)約4500 ppm。在這些活性氯的作用下，即使引入了大量有機(jī)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(xiàn)優(yōu)異的滅殺效果。此外， 這種殺菌功能可以被循環(huán)使用并且可以長期儲(chǔ)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(huán)殺菌功能和（d）殺菌功能的存儲(chǔ)穩(wěn)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(jìn)行了吸附和脫附實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)中， 改性后的纖維膜在30分鐘內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)99.9999% 細(xì)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(yīng)用。

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

  以上相關(guān)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(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces 上，該論文第一作者為加州大學(xué)戴維斯分校生物與農(nóng)業(yè)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