抗病毒空氣過(guò)濾材料研究進(jìn)展

鄺賓，呂子全，鄒旋，桂水清，盧雪梅，

（1.廣東藥科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥用生物活性物質(zhì)研究所，廣東 廣州 510006；2.深圳市疾病預(yù)防控制中心，廣東 深圳 518055；3.深圳市第二人民醫(yī)院深圳大學(xué)第一附屬醫(yī)院中心ICU，廣東 深圳 518055）

病毒是指一種微小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、依靠寄生細(xì)胞生存并通過(guò)復(fù)制進(jìn)行增殖的非細(xì)胞型微生物。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及科學(xué)的發(fā)展，跨國(guó)旅游、大型聚眾活動(dòng)、城市人口密集化等因素都成為病毒傳播的重要因素，使病毒不再受區(qū)域的限制，容易造成全球范圍內(nèi)的傳播。如2002 年由嚴(yán)重急性呼吸系統(tǒng)綜合癥（severe acute respiratory syndrome,SARS）冠狀病毒引起的非典[1]、2009 年由Influenza A（H1 N1）亞型甲型流感病毒引起的流感[2]、2019 年由嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2（severe acute respiratory syndrome coronavirus 2,SARS-CoV-2）引起的新冠肺炎，造成數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的人員死亡以及數(shù)以百億計(jì)的財(cái)產(chǎn)損失。

成熟的病毒顆粒組成成分有核酸與蛋白質(zhì)，有衣殼、核酸、包膜及刺突等結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

圖1 包膜病毒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)示圖Figure 1 Structure of envelope virus

不同病毒的傳播途徑各不相同，如以SARSCoV-2 為呼吸道傳染病毒代表的傳播途徑為[3]：（1）接觸傳播，包括與患者有皮膚接觸的直接接觸和觸碰被患者污染物品的間接接觸，一般應(yīng)對(duì)該傳播途徑的方法為隔離。（2）空氣傳播，也稱(chēng)為氣溶膠傳播，即感染者產(chǎn)生帶新冠病毒的飛沫顆粒能隨空氣漂浮到更遠(yuǎn)的地方進(jìn)行傳播，該方式為病毒的最主要傳播途徑。

藥物并非抗病毒的第一手段，因?yàn)榇蟛糠挚共《舅幬飼?huì)對(duì)肝、腎、腸道造成損傷，影響患者依從性，甚至中斷治療[4]，因此，預(yù)防優(yōu)先于治療。常規(guī)的預(yù)防手段包括切斷病毒的傳播途徑以及接種疫苗等，由于病毒易突變，而疫苗從研發(fā)到上市一般需要8年時(shí)間，這使疫苗的應(yīng)用受到限制；在切斷病毒傳播途徑方面，主要的方式有隔離和空氣過(guò)濾，隔離對(duì)人們的生活以及生產(chǎn)活動(dòng)造成很大的影響；因此，過(guò)濾空氣的病毒成為人們預(yù)防病毒的重要手段之一。在經(jīng)歷過(guò)數(shù)次病毒引發(fā)流行性疾病后，世界各國(guó)都更加注重對(duì)空氣過(guò)濾材料在預(yù)防病毒的要求，初始階段，科研人員從病毒粒徑出發(fā)，制備具備過(guò)濾病毒能力的納米級(jí)材料，隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)病毒在過(guò)濾材料上不斷累積形成污染源，造成二次污染，增加感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)[5]，只能通過(guò)頻繁更換過(guò)濾設(shè)備避免該風(fēng)險(xiǎn)，在疫情嚴(yán)重的環(huán)境下，大大增加財(cái)力負(fù)擔(dān)以及制備商的生產(chǎn)壓力。

抗病毒納米空氣過(guò)濾材料通過(guò)過(guò)濾捕捉空氣中的病毒，可與病毒直接接觸或間接接觸有效殺死病毒，這既能解決病毒污染問(wèn)題，避免感染風(fēng)險(xiǎn)，又可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)使用，減輕經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)以及市場(chǎng)生產(chǎn)壓力。近3 年，抗病毒空氣過(guò)濾材料成為重點(diǎn)研究對(duì)象，眾多成果相繼出爐，本文分別從無(wú)機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料、有機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料和天然抗病毒空氣過(guò)濾材料等抗病毒物質(zhì)的種類(lèi)出發(fā)，介紹這些材料的抗病毒機(jī)制、最新研究進(jìn)展、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用前景，并針對(duì)目前抗病毒空氣過(guò)濾材料的研發(fā)情況，提出相關(guān)建議。

1 無(wú)機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料

在抗病毒空氣過(guò)濾領(lǐng)域，無(wú)機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料具有廣譜、持久抗病毒、低細(xì)胞毒性、無(wú)耐藥性、來(lái)源廣泛等特點(diǎn)，其種類(lèi)較多，主要為納米金屬及金屬氧化物以及碳基納米材料。

1.1 納米金屬及金屬氧化物空氣過(guò)濾材料

目前，病毒的突變、疫苗的時(shí)效性以及對(duì)藥物的耐藥性是抗病毒的主要難題。納米金屬及金屬氧化物可以直接與病毒接觸，并通過(guò)以下3 種作用機(jī)制抑制或者殺死病毒：（1）金屬顆粒附著病毒表面，破壞病毒包被；（2）產(chǎn)生活性氧，使病毒的核酸、衣殼蛋白和脂質(zhì)包膜變性；（3）破壞二硫鍵使蛋白失活[6]。一些具有代表性的納米金屬及金屬氧化物的抗病毒種類(lèi)以及抗病毒機(jī)制見(jiàn)表1。

表1 納米金屬及金屬氧化物材料抗病毒種類(lèi)及機(jī)制Table 1 Types and mechanisms of antivirus of nanometal and metal oxide materials

1.1.1 納米銀 在古代，人們便發(fā)現(xiàn)銀保存的水不易變質(zhì)，其原因是銀具有良好抗菌抗病毒性能。在現(xiàn)代，隨著科技發(fā)展，納米銀開(kāi)始出現(xiàn)，其強(qiáng)力抗菌抗病毒、廣譜抗菌抗病毒、低細(xì)胞毒性、無(wú)耐藥性等優(yōu)點(diǎn)令它在眾多領(lǐng)域都得到應(yīng)用，其中包括空氣過(guò)濾領(lǐng)域。

Baselga 等[22]采取靜電力和配位絡(luò)合物的方法將納米銀和聚乙酰亞胺配制成抗病毒涂層，采用SARS-CoV-2 對(duì)該涂層進(jìn)行抗病毒測(cè)試，測(cè)得失活率大于99.9%，該涂層由聚丙烯、聚酯-粘膠和聚丙烯-玻璃紡黏墊作為基質(zhì)的纖維有效結(jié)合，形成抗病毒空氣過(guò)濾材料，有助于抗擊新型冠狀病毒肺炎（corona virus disease 2019, COVID-19）大流行以及控制其他傳染性空氣傳播病原體。

Ju等[23]將聚酰胺-6靜電紡絲納米纖維（playamide-6@Ag electrospum nanofibers，PA6@Ag ENM）通過(guò)氫鍵與納米銀進(jìn)行結(jié)合，研發(fā)出具有抗病毒的空氣過(guò)濾材料。由該材料所制備空氣過(guò)濾膜對(duì)豬德?tīng)査跔畈《居袦缁钚阅埽ㄈ鐖D2所示）；此外，通過(guò)過(guò)濾效率實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該膜對(duì)PM 2.5的過(guò)濾率為99.99%，能過(guò)濾空氣中的氣溶膠污染物，如甲苯、尼古丁、SOX等，且沒(méi)有明顯細(xì)胞毒性。

圖2 PA6@Ag ENM 是一種具有抗菌和抗病毒性能的空氣過(guò)濾膜[23]Figure 2 PA6@Ag ENM as an air filter membrane with antibacterial and antiviral property

單純使用純納米銀，其陰離子消耗較快且易被氧化，導(dǎo)致抗病毒時(shí)間較短，因此納米銀常與其他材料組成抗病毒復(fù)合材料。在抗病毒空氣過(guò)濾領(lǐng)域，采用納米銀作為主材之一的空氣過(guò)濾材料具備高效過(guò)濾氣體污染物、低壓降、高效、持久抗病毒、低細(xì)胞毒性等特點(diǎn)，展現(xiàn)了銀納米粒子在抗病毒空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

1.1.2 納米銅及金屬氧化物 銅具有抗菌抗病毒的功能，從人體需求角度出發(fā)，銅是必需微量元素，且可以通過(guò)代謝排出，相對(duì)其他重金屬可能由于在體內(nèi)積累而導(dǎo)致的中毒，銅更具安全性，因此，納米銅是抗病毒空氣過(guò)濾方面的一種理想材料。

Jung等[24]通過(guò)真空鍍膜在聚丙烯（polypropylene，PP）納米纖維上沉積一層厚度為20 nm的銅薄膜，使纖維成為具有抗病毒性能的空氣過(guò)濾材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)SARS-CoV-2 進(jìn)行失活評(píng)測(cè)，發(fā)現(xiàn)與該材料接觸后，SARS-CoV-2 的聚合酶和包膜的基因均不表達(dá)，且病毒數(shù)量減少75%以上。Manakhov等[25]通過(guò)磁性濺射技術(shù)對(duì)聚己內(nèi)酯納米纖維進(jìn)行鍍銅，得到的抗病毒空氣過(guò)濾材料，可有效抵抗SARS-CoV-2，此外，該材料可重復(fù)利用以及生物降解，減少對(duì)環(huán)境的污染，由該空氣過(guò)濾材料所制成的口罩，成本大約0.28 美元，若以每個(gè)1 美元，其內(nèi)部回報(bào)率也將達(dá)34%。

以納米銅為主材之一的空氣過(guò)濾材料能高效殺死新冠病毒，且?guī)缀鯚o(wú)細(xì)胞毒性，在控制新冠傳播方面具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。上述所制備的材料無(wú)論在環(huán)保還是商業(yè)價(jià)值方面都具有較大的潛力，但存在由于人體呼吸造成口罩處于高濕狀態(tài)易使納米銅氧化、從而減弱其抗病毒能力的缺點(diǎn)，限制了該材料進(jìn)入市場(chǎng)應(yīng)用，如何有效降低納米銅氧化使其實(shí)現(xiàn)持久性抗病毒是如今抗病毒材料的研究熱點(diǎn)。

1.1.3 納米氧化鋅 納米氧化鋅是一種白色六方晶體或球形粒子，具有卓越的光催化活性，該特性使其具有抗菌抗病毒功能，在抗病毒方面，納米氧化鋅具有廣譜、高效抗病毒、低細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn)，在抗病毒空氣過(guò)濾方面也有相關(guān)的研究。

Kumar等[26]通過(guò)原子沉積技術(shù)將納米氧化鋅粒子涂覆在靜電紡絲纖維上，所得到的空氣過(guò)濾材料具有抗病毒性能。該材料經(jīng)過(guò)白光發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）照射后，采用與人類(lèi)呼吸道相關(guān)的病毒進(jìn)行抗病毒測(cè)試，結(jié)果表明該材料可使95%的人類(lèi)冠狀病毒OC43（Human coronavirus OC43,HCoV-OC43）以及99%的14 型鼻病毒滅活。該材料具有高效抗病毒的特點(diǎn)，根據(jù)其通過(guò)光催化抗病毒的原理，可在制備過(guò)程中加入光敏劑，以增強(qiáng)其抗病毒效率以及延長(zhǎng)抗病毒時(shí)間。

Nageh 等[27]通過(guò)將不同比例的納米氧化鋅粒子與聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride，PVDF）進(jìn)行靜電紡絲，篩選抗病毒能力較強(qiáng)的材料。結(jié)果表明，含5%納米氧化鋅的PVDF納米纖維抗病毒能力較強(qiáng)，通過(guò)干擾表面抗原并阻止病毒顆粒附著在宿主細(xì)胞受體上而使病毒顆粒失活以及釋放活性氧使蛋白質(zhì)失活2種機(jī)制，能抵抗大部分病毒。PVDF屬于一種常用口罩的原料，加入納米氧化鋅即具備抗病毒性能，擁有巨大的商業(yè)前景。

目前，一般是將納米金屬及金屬氧化物通過(guò)鍍膜、磁性濺射、原子沉積等技術(shù)在納米纖維上涂層，得到具有抗病毒功能的空氣過(guò)濾材料，這些技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于抗病毒顆粒能穩(wěn)定結(jié)合在材料表面，與病毒充分接觸，通過(guò)破壞病毒包被、蛋白質(zhì)或阻止遺傳物質(zhì)復(fù)制等方式使其失活。此外，納米技術(shù)日漸成熟，可以按照需求改變納米粒子的性狀，比如粒徑、電荷、形態(tài)等，實(shí)現(xiàn)更高效的抗病毒功能。

納米金屬及金屬氧化物在抗病毒方面效果顯著，但對(duì)于細(xì)胞毒性方面的詳細(xì)數(shù)據(jù)鮮有提及，如何實(shí)現(xiàn)只殺滅病毒而不對(duì)細(xì)胞造成任何損傷成為制約該類(lèi)空氣過(guò)濾材料應(yīng)用市場(chǎng)的重要因素，比如納米鋅可通過(guò)催化作用產(chǎn)生活性氧殺病毒，但過(guò)量活性氧可能會(huì)破壞人體抗癌因子使人容易患上癌癥以及令細(xì)胞膜脂肪酸酸化變成過(guò)酸化脂質(zhì)影響機(jī)體正常功能運(yùn)轉(zhuǎn)，威脅人們的身體健康。

除了細(xì)胞毒性方面的考慮，單一的金屬限制了抗病毒的種類(lèi)，目前對(duì)混合型金屬及金屬氧化物抗病毒空氣過(guò)濾材料方面的研究不多，可能有以下2 種原因：（1）不同種類(lèi)的納米金屬及金屬氧化物顆粒對(duì)同一化合物的結(jié)合程度不同，且往往需要不同工藝才能與納米纖維有效結(jié)合；（2）不同比例的納米顆?？赡墚a(chǎn)生的抗病毒效果不同，需要耗費(fèi)時(shí)間與財(cái)力進(jìn)行大量摸索，因此大多數(shù)情況下需要在摸索出系統(tǒng)、全面的單一金屬抗病毒材料條件后才能進(jìn)行混合型材料的條件探索，目前單種抗病毒材料仍是主流，但已有向混合型抗病毒材料發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 碳基納米材料

碳基納米材料是指以碳為主體的材料，作為新興的材料，在電學(xué)、熱力學(xué)等方面性能突出，一般應(yīng)用于航天、光伏、冶金等領(lǐng)域。除以上方面，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)納米碳基材料具有良好的抗病毒性能，除了利用材料結(jié)構(gòu)影響病毒復(fù)制外，還可利用電化學(xué)和電熱學(xué)特性，通過(guò)加熱使病毒失活[28]。目前，在抗病毒方面，碳基納米材料一般分為富勒烯及其衍生物、石墨烯及其衍生物、碳納米管等。碳基納米材料的抗病毒種類(lèi)及抗病毒機(jī)制如表2所示。

表2 碳基納米材料的抗病毒種類(lèi)及機(jī)制Table 2 Antivirus types and mechanisms of carbon based nanomaterials

1.2.1 石墨烯及其衍生物 石墨烯是碳原子以sp2雜化軌道組成蜂巢狀六邊形的二維納米結(jié)構(gòu)，其邊緣尖銳，可刺破微生物表面；此外，石墨烯及衍生物也可通過(guò)氧化應(yīng)激破壞病毒的膜結(jié)構(gòu)，進(jìn)而使病毒失活，具有高效、廣譜抗病毒能力。

Abhishek等[40]通過(guò)激光誘導(dǎo)將石墨烯在聚酰亞胺表面進(jìn)行涂層，研發(fā)出具備抗病毒功能的空氣過(guò)濾材料，結(jié)果表明該材料所制備的空氣過(guò)濾器與不銹鋼網(wǎng)交聯(lián)時(shí)，只需0.3 V 電壓，便可除去100%的T4 病毒（如圖3 所示）。在空調(diào)或通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用該材料，可有效降低公共場(chǎng)所或私人住房的病毒濃度，減弱病毒傳播。

圖3 激光誘導(dǎo)的石墨烯空氣過(guò)濾材料抗微生物示意圖[40]Figure 3 Schematic diagram of laser-induced graphene air fil‐tration material for anti-microbial

Galante 等[35]利用氧化石墨烯與聚二甲基硅氧烷作為納米纖維的表面涂層得到空氣過(guò)濾材料，對(duì)類(lèi)腺病毒5 型、單純皰疹病毒1 型和乙型冠狀病毒具有抗病毒特性，該材料的表層具有強(qiáng)大的疏水性，排斥水滴與唾沫，此外，經(jīng)過(guò)機(jī)械磨損以及漂白洗滌后，其抗病毒能力基本不變，表明該材料可作為一種重復(fù)利用的抗疫資源，具有巨大的商業(yè)潛力。

1.2.2 碳納米管 碳納米管為一種碳原子呈六邊形排列形成的數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管，在導(dǎo)電、傳熱、化學(xué)等方面都具備極為優(yōu)秀的性能。在抗病毒方面，也具有廣譜及高效的抗病毒作用。

Park 等[37]采用電-氣動(dòng)沉積（EAD）技術(shù)，在常壓和室溫條件下將碳納米管包覆在玻璃纖維空氣過(guò)濾介質(zhì)樣品上，制備出碳納米管空氣過(guò)濾器，分別采用氣溶膠計(jì)數(shù)法和斑塊計(jì)數(shù)法進(jìn)行病毒氣溶膠過(guò)濾和抗病毒測(cè)試，結(jié)果顯示該樣品對(duì)粒徑為100 nm的顆粒物過(guò)濾效率為33.3%，抗病毒（噬菌體MS2）效率為92%，且其壓力降低可忽略不計(jì)。

在日常應(yīng)用中，可根據(jù)碳納米管材料具有良好的過(guò)濾效率、保持低壓降等特點(diǎn)，將其應(yīng)用在人群擁擠或者通風(fēng)效果不佳的場(chǎng)所中，有效降低病毒在空氣中的傳播。

Lee 等[41]通過(guò)將碳納米管作為空氣過(guò)濾材料制備成碳納米管薄膜，將薄膜應(yīng)用到口罩中，研究表明該薄膜具有高效空氣過(guò)濾以及高溫殺滅病毒能力，可有效抵抗新型冠狀病毒。此外，通過(guò)氣溶膠合成碳納米管薄膜的方法具有易加工、成本低、產(chǎn)品輕薄以及可重復(fù)利用等特點(diǎn)，具有巨大的商業(yè)潛力。

目前，碳基納米材料主要的研究方向仍是抗病毒藥物的遞送及檢測(cè)病毒，在利用本身屬性應(yīng)用到空氣過(guò)濾方面的研究仍在起步階段，比如富勒烯具有優(yōu)異的抗病毒功能，但在空氣過(guò)濾方面的研究仍是空白。碳基納米材料的抗病毒機(jī)制之一：通過(guò)加熱使病毒失活，可針對(duì)絕大部分病毒，能實(shí)現(xiàn)高效和廣泛抗病毒，此外，由于碳基納米材料的主體是碳，具有良好的生物相容性，在安全方面具有保障。

總之，碳基納米材料作為抗病毒空氣過(guò)濾材料，具有高效、廣譜抗病毒、低甚至無(wú)細(xì)胞毒性、高生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，但大部分碳基納米材料制備成本較高，這是限制碳基抗病毒空氣空濾材料投入市場(chǎng)的一大因素，如何有效降低碳基納米材料的制備成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，是今后的研究熱點(diǎn)之一。

2 有機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料

具有抗病毒功能的有機(jī)化合物種類(lèi)繁多，具有合成簡(jiǎn)單、抗病毒高效、迅速等特點(diǎn)，一般可通過(guò)以下3個(gè)方面進(jìn)行抗病毒：（1）通過(guò)合成制備成抗病毒藥物；（2）制備成抗病毒紡織品；（3）與其他單聚物或共聚物反應(yīng)，形成抗病毒涂層或者抗病毒納米纖維[28]。目前，較為典型的有機(jī)化合物有鹵胺類(lèi)聚合物、酚類(lèi)化合物、季銨鹽類(lèi)化合物3種。

2.1 鹵胺類(lèi)聚合物

鹵胺化合物是指具有N-X 結(jié)構(gòu)的化合物，其抗病毒原理為：與氮原子共價(jià)結(jié)合的鹵原子帶有正電而具有氧化性質(zhì)[42]，能夠氧化微生物膜上的氨基酸，進(jìn)而使微生物失活[43]。鹵胺類(lèi)化合物可抑制甲型流感病毒感染[44]，對(duì)T4噬菌體和番茄褐色皺紋果病毒產(chǎn)生滅活作用[43]。

鹵胺類(lèi)材料因強(qiáng)大的抗菌抗病毒功能而被廣泛應(yīng)用在紡織、抗菌消毒劑、有害物質(zhì)降解等方面。在空氣過(guò)濾方面，鹵胺類(lèi)化合物常與聚合物結(jié)合，制備出具有抗病毒功能的空氣過(guò)濾材料。

Ma 等[45]以甲基丙烯酰胺為鹵胺單體前體，在聚丙烯上通過(guò)共價(jià)結(jié)合制備聚丙烯接枝甲基丙烯酰胺（polypropylene-grafted methacrylamide,PP-g-MAM）后再進(jìn)行氯化，通過(guò)在熔吹過(guò)程中調(diào)節(jié)風(fēng)速，可得到不同直徑的纖維，此類(lèi)纖維具備優(yōu)良的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性及優(yōu)秀的高氯化與氯再充能力，令該纖維具備可重復(fù)使用的性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明由該材料組成的無(wú)紡布極大程度殺死T7噬菌體。

大部分聚合物基材料都存在耐熱性差、工藝穩(wěn)定性差、力學(xué)性能差等缺點(diǎn)，而該材料具備重復(fù)利用、耐熱、抗病毒、力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，具有極大的應(yīng)用潛力。

Tian等[46]對(duì)由5，5-二甲基海托英和三甲胺接枝的聚苯乙烯（5，5 dimethylhydantoin and trimethylmine/polyurethane nanofiber@net membranes，PSDT/pu NNMS）進(jìn)行靜電紡絲（聚苯乙烯具有鹵胺位點(diǎn)與陽(yáng)離子季銨鹽位點(diǎn)），得到具備突出過(guò)濾性能、高效穩(wěn)定抗病毒性能的空氣過(guò)濾膜（如圖4 所示），該膜對(duì)顆粒物的截留率為96.7%，在2 min內(nèi)對(duì)病毒的滅活率可達(dá)99.999%。

圖4 PSDT/PU NNMs的制備及生物殺滅過(guò)程示意圖[46]Figure 4 Schematic illustration of preparation and biocidal procedure of PSDT/PU NNMs

從抗病毒角度出發(fā)，該材料制備的空氣過(guò)濾材料具備穩(wěn)定、高效、快速抗病毒等特點(diǎn)，是一種良好的抗病毒材料。

2.2 酚類(lèi)化合物

酚類(lèi)化合物為芳烴的含羥基衍生物，自然界中的酚類(lèi)化合物絕大部分來(lái)源于植物，屬于植物中分布最廣泛的次級(jí)代謝產(chǎn)物。

酚類(lèi)化合物可通過(guò)在病毒生命周期抑制病毒的增殖來(lái)實(shí)現(xiàn)抗病毒的功能[47]，比如在病毒附著宿主細(xì)胞階段，可干擾病毒受體與宿主細(xì)胞間的相互作用；在病毒的滲透階段，可抑制病毒通過(guò)細(xì)胞膜；在病毒復(fù)制階段，可抑制病毒整合酶與蛋白酶的活性；在病毒組裝和成熟階段，可抑制微粒體甘油三酯轉(zhuǎn)移蛋白的活性水解；在病毒釋放階段，可抑制受感染細(xì)胞分泌載脂蛋白，防止病毒釋放擴(kuò)散。

酚類(lèi)化合物的抗病毒機(jī)制決定它對(duì)大部分病毒都能產(chǎn)生抑制或滅活作用，如對(duì)登革熱病毒[48]、煙草花葉病毒、HIV-1[49]、單純皰疹病毒2 型病毒[50]、SARS-CoV-2[51]等。

目前，酚類(lèi)化合物因其強(qiáng)大的抗病毒能力而應(yīng)用到食品、醫(yī)藥、生物化學(xué)等領(lǐng)域。而在空氣過(guò)濾領(lǐng)域，酚類(lèi)化合物也有涉及。

Kim 等[52]利用單寧酸（一種酚類(lèi)化合物）具備抗病毒活性、可與各種材料黏合、對(duì)細(xì)胞無(wú)毒性等特點(diǎn)，通過(guò)浸漬與洗滌工藝對(duì)聚丙烯濾布進(jìn)行涂層，得到空氣過(guò)濾器，該過(guò)濾器制備過(guò)程簡(jiǎn)單、環(huán)保，且過(guò)濾病毒效率強(qiáng)且穩(wěn)定，存儲(chǔ)2 個(gè)月內(nèi)的初始捕獲病毒能力仍超過(guò)87%。

酚類(lèi)化合物一般分為內(nèi)源性酚以及外源性酚，而大部分外源性酚具有毒性，因此，在材料選擇方面，一般選擇內(nèi)源性酚（如單寧酸），從商業(yè)角度考慮，前文所述的單寧酸制備而成的過(guò)濾器成本價(jià)格低且易于量產(chǎn)，如應(yīng)用在商業(yè)用途，有良好的前景。

2.3 季銨鹽化合物

季銨鹽又稱(chēng)四級(jí)銨鹽，是指銨離子中的4 個(gè)氫被烴基取代的化合物，該類(lèi)化合物目前可通過(guò)合成實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。季銨鹽最早、最廣泛應(yīng)用的功能是抗菌抗病毒，在這方面，季銨鹽具有廣譜、安全、長(zhǎng)效[53]等特點(diǎn)。

在抗病毒方面，季銨鹽可有效抑制H1N1[54]、登革熱病毒[55]、煙草花葉病毒[56]等病毒的活性，其抗病毒機(jī)制為：季銨鹽自身帶正電荷，易與帶負(fù)電荷的病毒結(jié)合，通過(guò)改變或破壞病毒衣殼[57]而使病毒滅活。

Sorci 等[58]通過(guò)紫外線(xiàn)引發(fā)接枝，抗病毒季銨鹽聚合物共價(jià)附著在N95 口罩過(guò)濾材料聚丙烯的纖維表面，生成超薄聚合物涂層，涂層帶有永久的陽(yáng)離子電荷，且不改變纖維形態(tài)與過(guò)濾器的阻力，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，該空氣過(guò)濾材料能使小鼠肝炎病毒、人類(lèi)冠狀病毒229 E失活。

有機(jī)抗病毒材料雖然種類(lèi)繁多，但大多數(shù)研究集中在醫(yī)療、食品、消毒劑等方面，在空氣過(guò)濾材料方面的應(yīng)用研究相對(duì)而言較少，從其抗病毒機(jī)制角度看，有機(jī)材料的抗病毒能力較強(qiáng)，且相對(duì)金屬納米粒子對(duì)人體更為安全。有些抗病毒有機(jī)材料在穩(wěn)定性方面存在不足，會(huì)受光、溫度、濕度以及pH 等因素的影響，導(dǎo)致材料的抗病毒活性減弱甚至失活，因此在材料的篩選和工藝的選擇上都要慎重評(píng)估?？偟膩?lái)說(shuō)，有機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料雖然研究應(yīng)用少，但其具有易于合成、可量化生產(chǎn)、高效、持久抗病毒等商業(yè)性特點(diǎn)，具有巨大的商業(yè)潛力。

3 生物基抗病毒空氣過(guò)濾材料

生物基材料是指可再生生物質(zhì)，該類(lèi)材料種類(lèi)繁多，有部分可應(yīng)用到空氣過(guò)濾材料方面，如纖維素、豆蛋白、甲殼素等，一般將這些過(guò)濾材料分為多糖類(lèi)和多肽類(lèi)兩類(lèi)。

3.1 多糖類(lèi)抗病毒空氣過(guò)濾材料

多糖是指多個(gè)單糖分子通過(guò)脫水縮合生成糖苷鍵所形成的物質(zhì)，其來(lái)源廣泛，存在于動(dòng)物、植物、微生物體內(nèi)，從醫(yī)藥角度出發(fā)，部分多糖具有降血壓、增強(qiáng)免疫系統(tǒng)、抗癌抗病毒等功能。

在抗病毒空氣過(guò)濾方面，殼聚糖是目前在多糖中最具代表性以及應(yīng)用最廣泛的物質(zhì)。殼聚糖能抑制新城疫病毒[59]、煙草花葉病毒[60]、噬菌體Phi6[61]等病毒的活性，其主要的作用機(jī)制為：（1）抑制病毒遺傳物質(zhì)的復(fù)制；（2）帶正電荷的殼聚糖與帶負(fù)電的病毒通過(guò)靜電作用結(jié)合，破壞病毒表面膜結(jié)構(gòu)，抑制病毒活性。Zhang 等[62]采用乙烯-丙烯并排/殼聚糖雙復(fù)合纖維經(jīng)梳理、熱風(fēng)粘接制成殼聚糖無(wú)紡布，以腸道病毒71 型為測(cè)試目標(biāo)，檢測(cè)該種材料的抗病毒能力，結(jié)果顯示殼聚糖無(wú)紡布與腸道病毒71型接觸15 min后，該病毒的核酸數(shù)量減少78.7%。

殼聚糖空氣過(guò)濾材料有高效抗病毒、細(xì)胞毒性小、生物相容性好、易于制作等優(yōu)點(diǎn)，在針對(duì)特定病毒方面具有良好的市場(chǎng)潛力。

目前，抗病毒多糖類(lèi)物質(zhì)在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用較少，雖然能實(shí)現(xiàn)高效抗病毒，但該類(lèi)材料生產(chǎn)過(guò)程可能會(huì)涉及到多個(gè)環(huán)節(jié)，例如提取、純化、結(jié)構(gòu)修飾等，這些環(huán)節(jié)增加成本；此外，材料的抗病毒效果也不穩(wěn)定，容易受諸多因素的影響，如來(lái)源、提取方法、純度等，限制了多糖類(lèi)抗病毒物質(zhì)在空氣過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2 多肽類(lèi)抗病毒空氣過(guò)濾材料

多肽是指3 個(gè)或3 個(gè)以上的氨基酸通過(guò)肽鍵所組成的肽，種類(lèi)繁多，功能也各不相同，目前主要應(yīng)用于藥物、化妝品、抗菌抗病毒等方面。

在多肽中，抗病毒肽具備顯著的抗病毒能力，對(duì)人類(lèi)免疫缺陷病毒1 型、單純皰疹病毒1 型、乙型肝炎病毒等有抑制作用，主要的抗病毒機(jī)制根據(jù)種類(lèi)區(qū)分為以下2 種[63]：（1）陽(yáng)離子肽通過(guò)與宿主細(xì)胞表面的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖非特異性相互作用來(lái)阻斷病毒附著；（2）病毒融合抑制劑可抑制病毒與宿主細(xì)胞表面蛋白的非共價(jià)結(jié)合，進(jìn)而抑制病毒進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。除以上2 種機(jī)制外，部分抗病毒肽還可抑制病毒復(fù)制。

Hu 等[64]使用多肽DOPA-Phe（4F）-Phe（4F）OM和DOPA-Phe-Phe 組合形成抗病毒涂層，該涂層表面具有穩(wěn)定的疏水性，能有效防止氣溶膠附著在涂層表面；此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，該涂層使絕大部分T4 噬菌體（DNA 病毒）以及全部犬冠狀病毒（RNA 病毒）滅活（如圖5 所示）。該涂層具有高效、廣譜抗病毒作用，將該涂層應(yīng)用到空氣過(guò)濾材料中，可有效降低空氣中病毒的數(shù)量，減弱病毒的危害性，從材料安全性角度考慮，此涂層屬于低細(xì)胞毒性、高生物相容性，對(duì)人體幾乎不產(chǎn)生影響。

圖5 肽基抗病毒涂層的形成和肽的分子結(jié)構(gòu)[64]Figure 5 The formation of a peptide-based antiviral coating and the peptide molecular structures

目前，對(duì)于抗菌肽在空氣過(guò)濾材料方面的研究?jī)?nèi)容較少，其可能的原因有：（1）抗病毒肽作用持續(xù)時(shí)間較短，不能持久抗病毒；（2）抗病毒肽價(jià)格相對(duì)較高，不適合量產(chǎn)。

4 結(jié)論與展望

本文根據(jù)抗病毒物質(zhì)的種類(lèi)區(qū)分，分別介紹了無(wú)機(jī)、有機(jī)以及生物基抗病毒空氣過(guò)濾材料的抗病毒機(jī)制、種類(lèi)、優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用前景。無(wú)機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料是眾多材料中研究最多的，具有高效、廣譜抗病毒、無(wú)耐藥性、低成本、低細(xì)胞毒性等優(yōu)點(diǎn)。金屬基抗病毒空氣過(guò)濾材料可通過(guò)涂層應(yīng)用在口罩上，納米銀、銅、氧化鋅均具有抗SARSCoV-2能力，可作為抗新冠的重要物資，用于控制疫情的傳播。雖然大部分金屬納米顆粒對(duì)人體影響幾乎可以忽略不計(jì)，但有小部分金屬難以排出體外，這類(lèi)金屬在機(jī)體內(nèi)累積是否會(huì)影響人體機(jī)能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)有待進(jìn)一步深入研究。碳基空氣過(guò)濾材料本身具有高度表面積以及多孔結(jié)構(gòu)，可通過(guò)機(jī)械作用捕獲病毒，并通過(guò)氧化應(yīng)激與病毒膜結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致病毒膜破壞和病毒失活，具有廣譜、高效抗病毒等特性。有機(jī)抗病毒空氣過(guò)濾材料雖然研究較少，但具有合成簡(jiǎn)單、大規(guī)模生產(chǎn)、高效、持久抗病毒等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的商業(yè)潛力。生物基材料在抗病毒方面具有高效、無(wú)細(xì)胞毒性、高生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，其中的殼聚糖類(lèi)空氣過(guò)濾材料可以高效抗病毒，但抗病毒效果受材料來(lái)源、提存方法、純度等因素的影響；抗病毒肽空氣過(guò)濾材料具有高效、廣譜抗病毒作用，但抗病毒時(shí)間較短、成本較高，制約了其商業(yè)應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人類(lèi)的出行方式、活動(dòng)范圍早已改變，病毒傳播速度越來(lái)越快，范圍越來(lái)越廣，病毒引起的全球化流行病越來(lái)越多，通過(guò)抗病毒空氣過(guò)濾器切斷病毒傳播是目前對(duì)抗病毒的有力措施。雖然目前對(duì)抗病毒空氣過(guò)濾材料的研究仍不全面，比如對(duì)混合型抗病毒空氣過(guò)濾材料研究較少，但隨著科技發(fā)展，抗病毒空氣過(guò)濾材料必然朝著復(fù)合型材料發(fā)展，甚至空氣過(guò)濾材料不再局限于抗病毒，而是集合檢測(cè)病毒、自我清潔、增強(qiáng)免疫系統(tǒng)等多方面功能，助推人類(lèi)健康事業(yè)向前邁進(jìn)一大步。