可抗菌的石墨烯口罩來了

江蘇雷射聯盟導讀：

據悉，由香港城市大學(CityU)化學系助理教授葉汝全博士領導的研究團隊成功地生產了抗菌率為80%的石墨烯口罩，而在輻射10分鐘後，抗菌效率可提高到幾乎100%。該研究成果8月11日以「Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask」一文發表在學術期刊《ACS納米》（ACS Nano）上。

佩戴口罩已被廣泛推薦用於控制呼吸道病毒疾病，也成為今年抗擊新型冠狀病毒（COVID-19）的重要工具，但是口罩的不當使用和處置帶來了二次傳播的高風險，當頑固的病原體積聚在口罩上時，可能會威脅到保護效果。

除了安全問題之外，環境汙染和材料供應短缺也是疾病爆發期間口罩大量消費的兩個主要問題。例如，新冠肺炎疫情導致全球口罩供應短缺，口罩和熔噴面料（melt-blown fabrics）價格飆升。大多數口罩是為一次性使用而設計的，過濾層使用聚丙烯，一種在填埋場降解需要10年以上的熱塑性塑料。為了緩解這種情況，人們呼籲開發熔噴織物的替代材料和安全重複使用口罩的方法。

據報導，SARS病毒可以在56°C下在15分鐘內失活。利用石墨烯材料的寬帶吸收特性，預計它們在陽光下暴露可以實現這一目標，無需溫度控制的烤箱即可達到最高溫度，從而使SARS病毒在設備和基礎設施不足的地區更容易消毒。在該研究中，研究人員探索了面罩與雷射誘導石墨烯(LIG)材料相比的健康保護能力。考慮到安全問題，研究人員改用大腸桿菌(E. coli)作為模型，其需要超過60℃的溫度來實現令人滿意的殺菌效率。LIG描述了一種使用普通CO2雷射將基底轉化為多孔石墨烯的過程。原來的LIG的抑菌率為81.57％，而在0.75 kW/m2的輻射下，可在10分鐘內提高到99.998％抑菌率。

使用二氧化碳紅外線雷射系統可把含碳的材料轉化為石墨烯。

研究人員使用大腸桿菌比較了LIG與活性炭纖維(ACF)和熔噴織物(MBF)的抗菌性能，活性炭纖維和熔噴織物分別是商用活性炭和外科口罩的關鍵過濾層。

用於細菌生存力實驗的口罩照片

在LIG、ACF和MBF上孵育1小時的大腸桿菌用作參考，另外的7小時孵育用於評估細菌抑制率。ACF和MBF上的大多數大腸桿菌都保持了細胞結構的完整性。 下圖g–l中的螢光顯微鏡圖像（綠色代表活的，紅色代表死亡的）用於區分大腸桿菌的健康狀況。8小時後由綠色變為紅色表明LIG具有顯著的殺菌能力，而在ACF和MBF上只觀察到輕微的染色變化。即使在8小時後，沉積在ACF和MBF上的大腸桿菌中仍有90％以上仍然存活。相比之下，大腸桿菌在LIG上的活力在8小時後從1.9 × 106降至3.5 × 105 CFU/mL。LIG、ACF和MBF的固有抗菌活性分別為81.57％、2.00％和9.13％，這表明LIG優於目前市場使用的口罩材料具有安全性。

LIG，ACF和MBF之間的抗菌能力比較。

▲圖解：孵育1和8小時後，(a,b)LIG，(c,d)ACF和(e,f)MBF的SEM圖像。(g,h)LIG，(i,j)ACF和(k,l)MBF用活/死細菌生存力試劑盒染色的雷射掃描共聚焦顯微鏡圖像：(g,i,k)孵育1 h，(h,j,l)孵育8小時。(m)LIG，ACF和MBF的CFU分析的統計數據。(a–f)的比例尺為10μm，(g–l)的比例尺為50μm。

考慮到有研究指出，高溫可令新型冠狀病毒失去感染力，研究人員便利用石墨烯吸光後能夠產生高溫的光熱效應進行測試。下圖a總結了0.75kW/m2輻照下LIG、ACF和MBF隨時間變化的溫度。LIG的表面溫度在30秒內從25°C升至52°C，並在進一步暴露於陽光下保持在〜62°C。連續輻照30秒後，ACF的表面溫度穩定在約52°C，比LIG低10°C。與LIG相比，ACF的溫度較低是由於孔相對較大。即使經過60秒或更長時間的照射，MBF仍僅為35°C。然後研究人員使用具有不同日光照射時間（1、5和10分鐘）的CFU分析來研究光熱對LIG、ACF和MBF殺菌效率的影響。他們發現，當石墨烯材料受太陽光照射十分鐘，其抑菌效率可提升至99.998%，而活性碳纖維和熔噴布則分別僅約67.24%和85.3%。

通過光熱作用增強抗菌功效。

▲圖解：(a)0.75 kW / m2日光下表面溫度的時程。(b)在不同曝光時間下的抗菌效率。(c)在不同的曝光時間後，參考組和樣品的CFU測定的統計數據。(d)LIG和MBF的生物氣溶膠捕獲和抗菌性能。

該研究團隊領導人葉博士形容雷射誘導石墨烯乃突破性的「環保技術」，基本上含碳的材料，例如纖維和紙張等生物質材料，都可採用這技術；而且可在室溫操作，除了原材料之外，無需使用其他化學物，既不造成汙染，能源消耗也不多。他說︰「用這種石墨烯材料製作的口罩可以重用，而且若用生物質材料來生產石墨烯，不但有助解決口罩原材料供應緊張的問題，更可紓緩口罩不可降解對環境構成的壓力。」

他表示，雷射誘導石墨烯的製作工序很簡單，每1.5分鐘可列印到100平方釐米的石墨烯口罩材料，用作口罩的表層或內層；成本視乎所選的原材料，製成品價錢估計介乎外科口罩與N95口罩之間。他又指，技術可通過調節雷射的功率來改變石墨烯孔的大小，使透氣度與一般外科口罩相若。

檢查口罩受汙染程度的方法

除了感染劑的生存能力外，由於細菌的積累，無法獲得有關口罩過濾效果的信息也是另一個可能危害佩戴者的擔憂。此信息非常重要，尤其是對於與患者密切接觸的醫生和護士。通過簡單的重複雷射感應過程，我們可以控制LIG的表面特性，並製造用於自報告掩膜條件的溼電LIG器件。感應電壓也可能會提高吸附/過濾效率。實驗證明，口罩表面積累的細菌和空氣顆粒物愈多，量度所得的電壓愈低，可藉此判斷口罩的汙染程度。葉博士說：「至於多久要更換口罩，這準則應交由專業人士決定，但這方法不失為一個參考。」

LIG口罩示意圖及溼感電工作機理

研究人員用「溼氣發電裝置」量度呼吸所衍生的電壓的改變。

由於石墨烯具有抗菌功效，於是早在去年9月，即新型冠狀病毒尚未爆發時，葉博士便想到用雷射誘導石墨烯來做口罩，希望在功能上更勝一般口罩，遂帶領香港城大團隊，聯同來自香港科技大學和南開大學等的研究人員展開研究。葉博士是論文的通訊作者之一，其餘兩位通訊作者分別是香港科技大學的唐本忠教授與南開大學的朱春雷博士。論文第一作者是葉博士的博士生黃麗蓓。同樣來自香港城大化學系的研究成員還有徐絲雨、蘇建君和宋雲。其他團隊成員分別來自香港科技大學和南開大學的團隊，以及卡羅琳醫學院劉鳴煒復修醫學中心的陳斯傑博士。

香港城大研究團隊成員：（前排左起）徐絲雨、葉汝全博士、黃麗蓓、（後排左起）曹曉虎、宋雲、蘇建君。圖片來源：CityU

本文來源：DOI: 10.1021/acsnano.0c05330