EcoMat | 亲肤新科技：槲皮素纳米纤维滤膜，抗病毒与透气完美结合！

2026-07-06 11:44:07, EcoMat Know it All光谱数据库

成果简介

近年来的全球性病毒爆发，愈发凸显了开发兼具高效过滤性能与环境可持续性防护口罩的迫切需求。韩国成均馆大学Seongpil An团队在EcoMat发表研究论文，通过溶液喷丝（SB）技术，成功构筑了一种由槲皮素（QU）与聚乙二醇（PEO）组成的可生物降解、透气且具抗病毒功能的纳米纤维（NF）滤膜。所得 QU/PEO 纳米纤维滤膜呈现出高孔隙率和优异机械耐用性的非织造形貌，其屈服强度高达 30 MPa。同时，该滤膜在土壤中表现出快速的生物降解能力，证实了其生态友好特性。空气过滤测试表明，在 20 L/min 的气流速率下，该滤膜对细颗粒物（PM0.5）的截留效率高达 96.2%，且保持了极低的压降，性能超越了现有的商用口罩滤膜。抗病毒评估显示，该材料能显著抑制 SARS-CoV-2 伪病毒（PV）的感染活性，并能有效减轻皮肤细胞中的氧化应激与炎症反应。槲皮素在生物相关浓度下的持续释放，确立了材料本征生物活性与滤膜级功能表现之间的直接关联。尤为重要的是，QU/PEO 纳米纤维滤膜对 SARS-CoV-2 Omicron 活病毒表现出显著的抗病毒活性。分子对接模拟分析表明，槲皮素可能同时作用于 3CLpro 蛋白和 ACE2 结合界面，提示其存在潜存的双靶点抗病毒机制。上述研究结果表明，该 QU/PEO 纳米纤维滤膜在作为下一代个人防护装备（PPE）非织造材料方面展现出巨大潜力，完美满足了高效病毒防护、极佳透气性、皮肤相容性以及环境可持续性的多维需求。

图文详情

图1 (a) 用于制备 QU/PEO 纳米纤维（NF）过滤器的溶液喷丝（SB）工艺示意图；(b) 其作为抗病毒口罩的潜在应用场景。

图2 (a) 经槲皮素（QU）处理后正常人皮肤成纤维细胞（NHDFs）的细胞活性。实验均重复进行三次（n = 3），图表数据以平均值 ± 标准误差（SEM）表示。与未处理细胞相比，p < 0.05, p < 0.01。(b 和 c) QU 对 TNF-α 刺激的 NHDFs 细胞内活性氧（ROS）水平的影响。实验均重复进行三次，图表数据以平均值 ± 标准误差（SEM）表示。与未处理细胞相比，p < 0.001；与 TNF-α 单独处理细胞相比，p < 0.05, p < 0.01。(d–g) QU 对 TNF-α 刺激的 NHDFs 中 MMP-1 和 COL1A1 表达的影响。其中 (d 和 f) 为 mRNA 表达水平，(e 和 g) 为蛋白质分泌水平。实验均重复进行三次，图表数据以平均值 ± 标准误差（SEM）表示。与未处理细胞相比，^#p < 0.05, ^##p < 0.01, ^###p < 0.001；与TNF-α单独处理细胞相比，*p<0.05, p<0.01。

图3 (a) SARS-CoV-2 假病毒（PV）的形成及感染机制示意图。 (b) 经 10 uM 和20 uM槲皮素（QU）处理后的细胞感染情况：通过相衬显微镜观察到的荧光变化（处理后 24 h，样本量n = 3，放大倍数100）。 (c) SARS-CoV-2 假病毒感染细胞的定量分析。数值表示平均值±标准误差（SEM）（n = 3）。与对照组（control group）相比，*p < 0.001, p < 0.0001。 (d) QU对 A549-ACE2细胞中SARS-CoV-2假病毒感染活性的影响。数值表示平均值 ±标准误差（SEM）（n = 3）。与对照组相比，p < 0.0001。 (e) QU 对 SARS-CoV-2 假病毒感染的 A549-ACE2 细胞炎症反应的影响。数值表示平均值 ± 标准误差（SEM）（n = 3）。与对照组相比，p < 0.01, p < 0.0001。 (f) QU 从 QU/PEO 纳米纤维（NF）过滤器中的缓释行为。利用基于透析的系统评估了 30 mg QU/PEO 纳米纤维过滤器的 QU 释放动力学。数据以平均值 ±标准差（SD）表示（n = 3）。 (g) QU/PEO 纳米纤维过滤器对 A549-ACE2 细胞中 SARS-CoV-2 假病毒感染活性的影响（针对 SARS-CoV-2 刺突蛋白基因的一步法 RT-qPCR 检测结果）。将 SARS-CoV-2 Omicron 刺突蛋白假病毒与 QU/PEO 纳米纤维过滤器共同孵育，随后感染 A549-ACE2 细胞；提取的 RNA 用于特异性引物和试剂的一步法 RT-qPCR 扩增。柱状图包含以下组别：CTL 组（未加入假病毒，仅暴露于不含 QU 的 PEO 纳米纤维过滤器）、CTL + QU/PEO NF 组（未加入假病毒，通过 QU/PEO 纳米纤维过滤器给予 QU 处理）、PV 组（Omicron 假病毒感染，暴露于不含 QU 的 PEO 纳米纤维过滤器）以及 PV + QU/PEO NF 组（Omicron 假病毒感染，通过 QU/PEO 纳米纤维过滤器给予 QU 处理）。数值表示平均值 ± 标准误差（SEM）（n = 3）。与对照组相比，p < 0.05, p < 0.01。 (h) QU/PEO 纳米纤维过滤器对 SARS-CoV-2 Omicron 活病毒的抗病毒功效。经不同样品（QU/PEO、PEO 和 QU）处理后，通过 RT-qPCR 测定的 SARS-CoV-2 刺突蛋白基因的相对表达量。所有实验均采用 Omicron 活病毒株进行。数值表示平均值 ± 标准误差（SEM）（n = 2）。统计学显著性采用单因素方差分析（One-way ANOVA）确定（p < 0.05, p < 0.01）。

图4 (a) 展示三种不同样品与皮肤直接接触 6 h 后，皮肤刺激性（发红症状）对比的代表性照片：添加了 0.3% 十二烷基硫酸钠的 KF94 口罩滤层（SLS；阳性对照组）、单纯 KF94 口罩滤层（阴性对照组）以及 QU/PEO 纳米纤维（NF）过滤器（实验组）。图中展示了每位志愿者（n = 4；比例尺 = 1 cm）在样品贴敷时、以及贴敷 6 h 并揭除样品后的皮肤状况。(b) 基于从皮肤图像中提取的色度强度比例（红、绿、蓝通道），对皮肤颜色变化进行定量分析。皮肤颜色变化以样品揭除前后的归一化强度（ΔI/I₀）表示。误差棒表示平均值 ± 标准误差（SEM）（n = 4）。

图5 (a) QU/PEO 纳米纤维（NF）过滤器的SEM图像。(b) QU/PEO 纳米纤维过滤器的纤维管径（或粒径）分布图以及 (c) 应力-应变曲线。(d) QU、PEO 粉末及 QU/PEO 纳米纤维过滤器的 XRD图谱。(e) PEO 溶液喷丝膜（SB mat）与 QU/PEO 纳米纤维过滤器的FT-IR图谱。(f) QU、PEO 粉末及 QU/PEO 纳米纤维过滤器的TGA曲线。(g) QU/PEO 纳米纤维过滤器的耐湿（或抗湿）性能测试。

图6 (a) QU/PEO 纳米纤维（NF）过滤器、KF94 口罩以及牙科口罩（DM）的压降测试结果，以及 (b) 不同空气流速下 QU/PEO 纳米纤维过滤器的压降测试结果。(c) 文献已报道的过滤器其空气流速与压降的关系对比。(d) QU/PEO 纳米纤维过滤器与市售口罩滤层的透气性对比。(e) 过滤性能测试装置示意图。(f) QU/PEO 纳米纤维过滤器与市售口罩滤层对应的过滤效率对比。(g) QU/PEO 纳米纤维过滤器的生物降解性测试。(h) 对比 QU/PEO 纳米纤维过滤器与市售口罩（KF94 和 DM）综合性能的雷达图。

结论

本研究采用溶液喷丝（SB）技术成功制备了槲皮素/聚氧化乙烯（QU/PEO）纳米纤维（NF）过滤膜，该材料在过滤性能、生物降解性及抗病毒活性方面均展现出良好的应用前景。形貌表征显示，所制备的 QU/PEO 纳米纤维结构细腻均匀；在 20 L/min 的流速下，其对颗粒物（PM）的过滤效率高达 96.2%，且压降仅为 20.4 Pa，展现出优异的品质因数（Quality Factor）。同时，该滤膜表现出卓越的力学耐久性，屈服强度达到 30 MPa，显著优于传统的市售口罩滤层。堆肥条件下的降解测试证实，该材料可在 1 天内快速降解，具备良好的环境可持续性。

尤为重要的是，抗病毒生物学评价表明，QU/PEO 纳米纤维过滤膜能显著降低 SARS-CoV-2 假病毒（PV）的感染活性。此外，人体皮肤直接接触测试显示该滤膜无明显刺激性，具有良好的皮肤生物相容性，适合长期佩戴。QU 从纳米纤维基体中维持着生物学相关浓度的持续释放，进一步证实了该功能化滤膜的实用价值。随后，针对 SARS-CoV-2 Omicron 活病毒的实验进一步验证了其抗病毒功效。分子对接模拟结果表明，QU 能够与 3CL 蛋白酶（3CLpro）及 ACE2 结合界面发生相互作用，为上述病毒抑制现象提供了分子机制支撑。

综上所述，该 QU/PEO 纳米纤维过滤膜兼具高过滤效率、优异的透气性与力学鲁棒性，且集快速生物降解、抗病毒功能及优良的皮肤相容性于一体，作为下一代环保型个人防护材料展现出巨大的应用潜力。然而，鉴于本研究目前均在受控的实验室条件下完成，未来仍需在复杂的真实世界环境中对其进行验证。后续工作将重点聚焦于该材料的大规模量产制备，并在包括医疗机构在内的临床相关场景中开展进一步的性能评估。

文章信息：

Dogun Park, Joo-Hyun Hong, Zijun Li, Yeongtak Son, Yea Jung Choi, Sullim Lee, Hyun-Woo Kim, Daekyu Choi, Kiyong Kim, Yun Seok Joh, Do-Kyun Kim, Hee Min Yoo,* Ki Hyun Kim,* Seongpil An,* Biodegradable, Breathable, and Skin-Friendly Solution-Blown Quercetin Nanofibers for Antiviral Nonwoven Filter, EcoMat, 2026; 8:e70061

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/eom2.70061

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