香港城市大学研发可抗菌的石墨烯口罩

新型冠状病毒(COVID-19)全球肆虐,口罩成为抗疫重要工具,但不当地使用或弃置口罩,或容易造成“二次传播”。香港城市大学(香港城大)团队近日便研发出能抗菌的石墨烯口罩,抑菌效率达八成,若在阳光下照射10分钟,更可接近100%。初步研究更表明,该口罩对两种冠状病毒有非常优异的灭活能力。

这种石墨烯口罩不但容易制造兼成本低,更可用纤维、纸张等含碳的生物质材料为原材料,有助解决口罩原材料紧张和弃置后难以分解的问题。

该项研究由香港城大化学系助理教授叶汝全博士与合作团队负责。研究结果已在学术期刊《ACS纳米》(ACS Nano)上发表,题为〈Self-Reporting and Photothermally Enhanced Rapid Bacterial Killing on a Laser-Induced Graphene Mask〉。

目前常用的外科口罩没有抑制或杀灭细菌功能,触摸口罩受污染的表面或不当地弃置时,有机会造成病菌二次传播,而且用作过滤细菌的熔喷布(melt-blown fabrics)难以分解,对环境造成影响,于是科研人员都在探索以其他材料来制成口罩的可行性。

以激光转化材料为石墨烯

叶博士一向从事把“激光诱导石墨烯”(laser-induced graphene)应用于开拓可持续能源的研究。在美国莱斯大学攻读博士时,他参与其导师领导的团队,便首创以市面上可买到的二氧化碳红外线激光系统,直接照射含碳、热稳定性高的聚酰亚胺(polyimide, 一种常用的聚合物塑胶材料)薄膜,改变了材料的结构后产生立体的多孔石墨烯,因而称为激光诱导石墨烯。

香港城市大学研发可抗菌的石墨烯口罩
使用二氧化碳红外线激光系统可把含碳的材料转化为石墨烯。

由于石墨烯具有抗菌功效,于是早在去年9月,即新型冠状病毒尚未爆发时,叶博士便想到用激光诱导石墨烯来做口罩,希望在功能上更胜一般口罩,遂带领香港城大团队,联同来自香港科技大学和南开大学等的研究人员展开研究。

抗菌效能优异

团队以大肠杆菌测试这款石墨烯材料的抗菌效能,发现抑菌效率达82%左右,而普通口罩常用的活性碳纤维(activated carbon fibre)和熔喷布则分别只有2%和9%。他们的研究亦发现,九成以上沾在后两者表面的大肠杆菌在8小时后仍存活,而沾在石墨烯材料上面的则大部分已死去;而且石墨烯同样能有效杀灭气溶胶里的细菌。叶博士表示,石墨烯令细菌死亡的具体原因仍有待进一步研究,但相信与细菌的细胞壁被石墨烯锐利的边缘破坏,以及疏水的石墨烯加速细菌脱水致死有关。

考虑到有研究指,高温可令新型冠状病毒失去感染力,团队便利用石墨烯吸光后能够产生高温的光热效应,进行测试。他们发现,当石墨烯材料受太阳光照射十分钟,其抑菌效率可提升至99.998%,而活性碳纤维和熔喷布则分别仅约67%和85%。

团队目前正与内地的实验室合作,以两种人类冠状病毒来测试这种激光诱导石墨烯材料。初步结果发现,在阳光照射下,激光诱导石墨烯材料可于5分钟内使超过90%的病毒失去活性,照射10分钟,病毒灭活效率更接近100%,团队稍后将尝试用COVID-19病毒进一步测试。他们下一步的计划是进一步提升灭活病毒效率,和研制可重用的口罩,并希望研发出理想的结构,待通过认证测试后,尽快推出市场。

叶博士形容激光诱导石墨烯乃突破性的“环保技术”,基本上含碳的材料,例如纤维和纸张等生物质材料,都可采用这技术;而且可在室温操作,除了原材料之外,无需使用其他化学物,既不造成污染,能源消耗也不多。他说︰“用这种石墨烯材料制作的口罩可以重用,而且若用生物质材料来生产石墨烯,不但有助解决口罩原材料供应紧张的问题,更可纾缓口罩不可降解对环境构成的压力。”

他表示,激光诱导石墨烯的制作工序很简单,每1.5分钟可打印到100平方厘米的石墨烯口罩材料,用作口罩的表层或内层;成本视乎所选的原材料,制成品价钱估计介乎外科口罩与N95口罩之间。他又指,技术可通过调节激光的功率来改变石墨烯孔的大小,使透气度与一般外科口罩相若。

香港城市大学研发可抗菌的石墨烯口罩
团队用二氧化碳红外线激光系统研制石墨烯口罩,实验证明抑菌效率远胜于活性碳纤维和熔喷布。

检查口罩受污染程度的方法

为方便使用者检查石墨烯口罩的保护性能有否随着长时间使用而下降,团队又通过调控激光参数来控制石墨烯的表面特性,配以由他们研制、以呼吸的湿气来发电的“湿气发电装置”(hygroelectric generator),去量度使用者呼吸所产生的湿气穿过石墨烯口罩时,衍生的电压的改变。实验证明,口罩表面积累的细菌和空气颗粒物愈多,量度所得的电压愈低,可藉此判断口罩的污染程度。叶博士说:“至于多久要更换口罩,这准则应交由专业人士决定,但这方法不失为一个参考。”

香港城市大学研发可抗菌的石墨烯口罩

叶博士是论文的通讯作者之一,其余两位通讯作者分别是香港科技大学的唐本忠教授与南开大学的朱春雷博士。论文第一作者是叶博士的博士生黄丽蓓。同样来自香港城大化学系的研究成员还有徐丝雨苏建君宋云。其他团队成员分别来自香港科技大学和南开大学的团队,以及卡罗琳医学院刘鸣炜复修医学中心的陈斯杰博士

这项研究获得香港城大与南开大学的资助进行。

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