刘若锦，邢娣娣，甄晓兰，李 挥，马 宁，耿 燕

（河北省药品医疗器械检验研究院，石家庄 050227）

0 引言

新型冠状病毒感染（coronavirus disease 2019，COVID-19）疫情自发生以来在全球迅速蔓延，严重威胁了人民的生命安全和身体健康[1]。截至2022 年5 月21 日，世界卫生组织报告的COVID-19 确诊病例超过5.17 亿例，死亡人数超过620 万例[2]。新型冠状病毒（severe respiratory syndrome coronavirus 2，SARSCoV-2）与2002 年发现的冠状病毒（severe respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV）和2012 年发现的中东呼吸综合征冠状病毒（middle east respiratory syndrome coronavirus，MERS-CoV）具有一定的序列相似性和结构同源性[3]。但与其他2 种病毒相比，SARS-CoV-2 的传染性更强，潜伏期一般为1～14 d，个别病例甚至超过14 d[4-6]。而具有一定传染性的无症状感染者和“德尔塔”“奥密克戎”等新型变异菌株的出现使疫情形势更加严峻[7-9]。COVID-19 的这些特点大大地增加了检测、监测和阻止其传播的难度。

与其他呼吸道病原体类似，SARS-CoV-2 可通过接触、飞沫和空气传播[10]。一般认为，呼出的直径大于5 μm 的颗粒落在1 m 以内，而呼出的直径＜5 μm的颗粒可通过空气传播，这些颗粒会在空气中形成气溶胶并漂浮一段时间，甚至还能移动很长一段距离[11]。因此，除了自身保持良好的卫生习惯和与他人保持一定的社交距离以控制接触传播、污染物传播之外，佩戴个人防护装备、采取隔离措施等方式对于防止该病毒通过气溶胶传播也非常重要。口罩可作为防止病毒传播的物理屏障[12]，是最有效和必要的个人防护装备，在疫情防控中发挥了重要作用[13]。目前，最常用的口罩是外科口罩和N95 口罩[14]。

但是，当有症状和无症状的患者佩戴口罩时，接触传播可通过接触口罩发生。而全球每天使用的口罩非常多，丢弃的口罩日益成为生物污染废物的来源，还会对环境构成严重威胁。因此，在COVID-19大流行期间，许多研究人员致力于开发具有内在抗菌、可生物降解、自清洁功能和智能的口罩，以应对口罩的短缺、交叉感染和二次传播风险。本文综述近年来抗菌抗病毒型口罩、可生物降解型口罩、自清洁型口罩和电子智能口罩的研究进展，并对存在的主要问题进行分析，以期为后续研究提供参考。

1 抗菌抗病毒型口罩

吸附在普通口罩表面90%以上的细菌在8 h 后仍然具有细菌活性。因此，口罩的使用和处置不当会带来很高的感染风险。对口罩有效消毒的方法主要有2 种：化学消毒和热消毒。然而，采用异丙醇和乙醇等化学物质消毒，会显著降低非无纺布的过滤性能[15]。热消毒是基于一些细菌和病毒的刺突蛋白和病毒RNA 在70 ℃以上的温度下不稳定来实现的[16]，但需要加热箱等额外的热源。因此，迫切需要开发内在抗菌型口罩。

1.1 金属及其氧化物改性的抗菌抗病毒型口罩

金属及其氧化物主要是通过抑制细菌和病毒附着、产生高活性的氧和自由基以及破坏细菌和病毒的结构等方式来达到抗菌和抗病毒的目的。

银纳米粒子的粒径控制是保持其抗菌效果的关键。当银纳米粒子的粒径足够小时，能够穿过细菌的细胞壁，从而对细胞壁和DNA 产生破坏作用。Kharaghani 等[17]将聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）浸渍在硝酸银溶液中，通过原位合成制备了PAN/银纳米纤维复合膜，成功开发出可洗涤的抗菌型口罩。该研究发现，低用量的银纳米粒子即可使PAN/银纳米纤维复合膜具有优异的抗菌活性和生物相容性。值得注意的是，银可以与PAN 热解过程中产生的螯合芳香杂环形成非常稳定的配合物，保证了银在PAN/银纳米纤维复合膜表面的稳定存在。该研究中，用去离子水洗涤120 h 后，PAN/银纳米纤维复合膜仍具有优异的力学性能和抗菌性能。在抗击COVID-19疫情中，PAN/银纳米纤维复合膜可作为抗菌型口罩最合适的材料之一。

铜纳米颗粒是通过破坏病毒的膜结构达到对病原体快速杀菌的效果[18]。铜纳米颗粒价格低廉，可以吸收可见光，是很有前景的光催化剂[19-20]。而紫胶是一种天然疏水性低成本生物聚合物。Kumar 等[18]通过对聚丙烯（polypropylene，PP）无纺布纤维表面进行纳米复合改性，制备出一种光活性抗病毒口罩（photoactive antiviral mask，PAM），通过喷雾技术沉积粒子的方法将紫胶/铜纳米颗粒的纳米涂层与双通道喷雾相结合涂覆于PP 非织造外科口罩上。这种涂层结合了光催化和光热性能，具有优异的光活性，在太阳的光照下，该涂层的温度可迅速上升到70 ℃以上，产生大量自由基，可以破坏直径约为100 nm 的病毒颗粒的膜（如图1 所示）。采用该方法制备的易于去污且具有抗菌特性的可重复使用口罩可以为抗击COVID-19 疫情提供一种有效的预防工具，有助于阻断SARS-CoV-2 气溶胶的传播。

图1 太阳照射后，PAM 通过光热、光催化和疏水自清洁过程灭活呼吸液滴中的病毒示意图[18]

普朗尼克F-127是一种生物相容性好、毒性低的三嵌段共聚物，其两亲性结构使其成为疏水药物和纳米颗粒油-水相转移的理想材料。沸石咪唑框架8（zeolite imidazole frame 8，ZIF-8）是一种多孔金属有机框架（metal organic framework，MOF）材料，在室温条件下易于合成，在催化、成像、储气和抗菌等方面具有广阔的应用前景。Kumar等[21]采用一种简单的浸渍涂层技术，同时结合锌和铜的优点，制备出可重复使用的新型抗菌口罩。先以生物相容性优异的普朗尼克F-127 嵌段共聚物为稳定剂，制备平均直径为80 nm 的铜@ZIF-8 核壳纳米线（Cu@ZIF-8 nanowires，Cu@ZIF-8 NWs）。再将Cu@ZIF-8 NWs 分散在PP 层中，用乙醇简单浸渍涂层，可将其固定在PP 层上。这种改性既保证了PP 的疏水性没有显著下降，还提高了口罩的过滤效率。与铜纳米线（Cu nanowires，Cu NWs）和ZIF-8 相比，Cu@ZIF-8 NWs 表现出更强的抗菌活性。此外，该涂层具有光热稳定性，利用该涂层制备的口罩能够多次重复使用，有助于应对COVID-19 疫情时期口罩短缺的风险。

值得注意的是，使用纳米金属或金属氧化物，特别是直径约为50 nm 以下的银纳米颗粒具有毒性，可穿透人体皮肤，对人体产生过敏或其他副作用[22]。此外，为了合成这些纳米颗粒，使用了刺激性强的化学物质，这也对环境和人体健康造成了潜在的风险[23]。

1.2 石墨烯及其氧化物改性的抗菌抗病毒型口罩

石墨烯赋予口罩的关键和独特性能包括：（1）石墨烯的超疏水性，可增加口罩的抗湿能力；（2）石墨烯具有良好的电热性能，可产生局部高温，容易使微生物失活；（3）石墨烯基纳米材料具有固有的抗菌性能[24]。

据报道，SARS-CoV 在56 ℃下可以在15 min 内灭活[25-26]。这是因为热可以使蛋白质的二级结构变性，可以改变参与宿主细胞内附着和复制的病毒粒子蛋白质的构象[27]。而利用石墨烯材料的宽带吸收特性[28]，将其暴露在阳光下即可达到该温度。Shan等[29]研制了一种低成本、自杀菌性能好、携带方便的新型电热口罩。首先，将一种柔软的导电布带粘贴在由熔喷无纺布（melt-blown nonwoven fabric，MNF）制成的过滤层的表面，该过滤层充当电极。然后，在MNF 上涂覆一层具有良好导电和导热性能的石墨烯油墨层（石墨烯油墨=还原氧化石墨烯+硅改性丙烯酸树脂+氨基树脂+聚乙烯吡咯烷酮+水）（如图2所示）。石墨烯改性的MNF 具有高电导率和热导率，当施加3 V 的低电压时，能迅速产生80 ℃以上的高温，有效杀灭污染滤层和口罩表面的细菌与病毒。产生的热量还能及时清除口罩内的水蒸气，提高佩戴者的舒适度。同时，与其他加热设备相比，通过电池驱动自消毒，携带方便且节能显著。与未经处理的MNF相比，石墨烯处理后口罩（graphene modified mask，GMM）的透气性和过滤效率无显著下降。而且折叠/展开200 次后，口罩的性能保持不变，具有较高的耐用性，在抗击COVID-19 疫情中具有广阔的应用前景。

图2 石墨烯改性的MNF 和GMM 制作过程示意图[29]

除了将石墨烯的糊状物或油墨涂覆在口罩上，还可以采用激光诱导等成熟技术在口罩表面原位制备石墨烯[24]。基于此，Huang 等[30]使用激光诱导石墨烯（laser-induced graphene，LIG）制备出了新型口罩，对细菌的抑制率约为81%。结合光热效应，该口罩在10 min 内可达到99.998%的杀菌效果（如图3 所示）。另外，通过调节激光条件，进一步制备了亲水性和疏水性的LIG，二者均具有良好的杀菌能力，而且疏水性LIG 的杀菌率比亲水性LIG（74.5%）提高了约7%。这种LIG 材料可以由可生物降解材料转化而来，更加环保。而且在使用的过程中不需要温控加热设备，在缺乏设备和基础设施的地区更容易实现对SARSCoV 的消毒。

图3 提供内在的和光热增强的抗菌活性的LIG 口罩[30]

为了进一步增强石墨烯的功效，可以制备银纳米颗粒和石墨烯的复合涂层，进一步抑制非包膜病毒和包膜病毒的传染性。Zhong 等[31]通过等离子体光热法[32-33]制备出一种超疏水的银纳米颗粒和石墨烯复合涂层的N95 口罩。在阳光下，等离子体可以在1 min 内将口罩的表面温度提高到80 ℃以上，能够提供更好的防护。先使用激光诱导正向转移将大尺寸分布的银纳米颗粒沉积在N95 口罩上。再通过微调激光参数，LIG 可以与银纳米颗粒沉积在一起（如图4 所示）。通过激光二极管或太阳照射，银纳米颗粒所引入的光热效应可以灭活可能残留的SARSCoV-2。除此之外，借助石墨烯的宽带吸收增强的特性，这种等离子体复合涂层可实现对穿戴者的协同保护，同时保留了N95 口罩的原始过滤特性。这种具有银/石墨烯复合涂层的N95 口罩相对便宜，而且可以通过使用更高功率的激光器和更快的扫描系统来有效提高激光打印的速度，这将有助于实现这种口罩的大规模生产。在逐步恢复正常生活、生产的同时，广泛使用这种防护性强的防护口罩，有助于降低SARS-CoV-2 的传播风险。

图4 等离子体加热超疏水复合涂层的N95 口罩示意图[31]

但以上石墨烯改性的新型口罩的光热性能大多无法由用户精确控制或调节，因此在佩戴口罩时可能存在温度过高的风险。

1.3 过渡金属化合物改性的抗菌抗病毒型口罩

过渡金属化合物家族的二硫化钼（MoS2）纳米片具有非常有效的广谱抗菌活性，在生物医学领域已得到广泛应用，其抗菌性是通过膜去极化、膜破坏、代谢失活和氧化应激的共同作用实现的[34]。

Kumar 等[23]利用MoS2纳米片制备了具有优良抗菌活性和光热性能的改性口罩（如图5 所示）。通过使用简单的一步真空过滤，将二维的MoS2纳米片优良的杀菌和光热性能融入口罩中。在阳光照射下，纳米片改性织物的表面温度迅速上升到77 ℃左右，使其成为阳光介导的自我消毒的理想材料。在照射3 min 内纳米片改性织物即可实现完全自我消毒，可以重复使用。即使在洗涤60 次后，该纳米片改性织物仍然可以保持抗菌效果。此外，在不影响口罩透气性的情况下，将MoS2改性织物作为新增的口罩层，可显著提高3 层外科口罩的颗粒过滤效率。这种改造过的4 层抗菌医用口罩可以过滤掉约97%的直径约为200 nm 的颗粒和96%的直径约为100 nm 的颗粒，因此，可能有助于防止SARS-CoV-2 的扩散，同时能抑制其他空气传播病原体的传播。

图5 使用MoS2 改性的抗菌织物制备的个人防护口罩[23]

值得注意的是，与合成金属纳米颗粒相比，通过液体剥离法生产MoS2纳米薄片的工艺成本要低得多，而且很容易使用标准的混合机进行大规模生产。此外，结合填充热轧技术，可以很容易地将纳米薄片改性织物的技术工业化，以满足抗击COVID-19 疫情的要求。

1.4 生物材料改性的抗菌抗病毒型口罩

具有抗菌特性的植物，如牛至、鼠尾草、罗勒、茴香、大蒜和甘草，其提取物可以显著抑制冠状病毒的传播[35]。基于这种抗病毒特性，可以开发生物基抗病毒口罩来灭活SARS-CoV-2，以降低SARS-CoV-2的传播风险。

甘草是一种常见的草药，含有约300 种黄酮类化合物和20 多种三萜类化合物。其中，18-β 甘草次酸（GA）和甘草酸苷（GL）这2 种三萜类化合物具有抗病毒特性，并有可能削弱病毒活性。Chowdhury等[36]将含有GA 和GL 的甘草根提取物与静电纺丝工艺相结合，制备出甘草根纳米纤维膜，可用作抗击COVID-19 疫情口罩的材料。该纳米纤维膜的孔径为15～30 μm，具有随机的孔隙率和分布，而且其形貌表明，带病毒的液滴很容易被捕获和抑制（如图6 所示）。该研究表明，85 L/min 的气流可以通过由该纳米纤维膜制备的新型口罩，说明该新型口罩具有良好的透气性。由于这种新型口罩的孔径小于SARS-COV-2，将有助于降低SARS-CoV-2 的传播风险。

图6 甘草根纳米纤维膜口罩的病毒失活机制[36]

尽管将甘草根提取物作为口罩原材料具有抗病毒的巨大潜力，但仍存在一些局限性。例如，口罩的性能取决于抗流体、细菌过滤和微粒过滤能力。因此，仍然需要进一步的综合研究来探索这些变量，以更清楚地了解其抗击COVID-19 疫情的能力。

1.5 光敏剂改性的抗菌抗病毒型口罩

光敏剂是一种有机/无机化合物，可以捕获光的能量，并将其转移到周围的氧气，产生极端活性氧（reactive oxygen species，ROS）[37-38]，且产生的活性氧可以在短时间内杀死所有微生物[39]。

Kumaran 等[40]开发了一种木质素基、可光聚合的抗菌涂层。首先，合成2 种类型的抗菌物质：三吡啶甲基氯化铵（terpyridine methyl ammonium chloride，TMAC）和腺嘌呤己基氯化铵（adenine hexyl ammonium chloride，AHAC）。然后，采用高效环氧化物化学法分别制备木质素2，2’，4’-三吡啶甲基氯化铵（lignin 2，2’，4’-terpyridine methyl ammonium chloride，LTMAC）和木质素腺嘌呤己基氯化铵（lignin 2，2’，4’-adenine hexyl ammonium chloride，LAHAC）。通过向季戊四醇四丙烯酸酯（交联剂）中添加甲基丙烯酸2-羟基乙酯和甲基丙烯酸叔丁酯，调节抗菌涂层的亲水和疏水特性。通过将抗菌涂层喷涂到口罩织物的表面，然后进行1 min 的紫外线交联，即可在口罩织物表面形成永久性抗菌涂层（如图7 所示）。该抗菌涂层可在口罩织物表面浸渍或喷涂，在保证季铵盐对病原体快速高效的灭活特性的前提下，克服季铵盐灭菌剂单体稳定性低的缺点，但不会对口罩的过滤效率造成显著影响。研究表明，具有LTMAC 和LAHAC 涂层的口罩织物对H1N1 流感病毒、人冠状病毒229E（HCoV-229E）、HCoV-OC43、K 型肺炎病毒和大多数病原体具有抗病毒和抗菌性能。这种抗菌涂层材料为降低由于长期、重复使用口罩而导致的细菌污染提供了一种可能，也有助于降低SARS-CoV-2 的传播风险。

图7 口罩表面紫外线交联TMAC 或AHAC 抗菌涂层示意图[40]

Monge 等[41]将光活性共轭聚合物和低聚物加入到口罩中，作为灭活SARS-CoV-2 的光敏剂。其中，光活性材料为以苯乙烯为基础的3 种低聚苯乙烯和2 种共轭聚合物（如图8 所示）。通过将低聚物和聚合物加入到SARS-CoV-2 水悬浮液中，并将培养基暴露在近紫外光（300～400 nm）或可见光（420 nm）下，发现光活性材料快速有效地降低了Vero 细胞对SARS-CoV-2 的感染。这些化合物与SARS-CoV-2刺突蛋白之间的疏水和静电相互作用是其具有抗病毒活性的主要原因。事实上，通过这些相互作用可将病毒与光敏剂结合，然后在光线照射下产生ROS，实现病毒快速降解。研究发现，5 种光敏剂都对SARSCoV-2 有效，其中低聚物1、3 和聚合物5 的抗病毒活性最强，完全抑制时间分别约为20、10 和60 min。值得一提的是，尽管聚合季铵盐4 具有较强的固有抗菌活性[42]，但在黑暗条件下对SARS-CoV-2 无抗菌活性。研究结果表明，在口罩等个人防护装备中加入这些材料可以有效防止SARS-CoV-2 的感染和传播，可能减轻对人类健康的威胁。

图8 低聚物（1、2、3）和聚合物（poly-4 和poly-5）的结构式[41]

TiO2因其在紫外线照射下释放ROS 而具有很强的灭活能力[43]。Horváth 等[44]制备了光催化TiO2纳米线（TiO2nanowires，TiO2NWs）过滤器，用于构建具有抗菌性能的低成本、可重复使用的口罩。首先，在碱性环境下，通过加热搅拌的方式制备介孔钛酸盐纳米线。随后，经过煅烧将其与TiO2融合在一起。该方法制备的TiO2NWs 具有较强的可加工性，在正常流动条件下无需浸出纳米线即可制备出TiO2NWS柔性薄膜（如图9 所示）。该薄膜具有较强的抗菌活性，可灭活SARS-CoV-2，可用于制造可重复使用1 000 次以上的轻型消毒口罩，并且可以实现工业化的生产。

图9 纳米线柔性薄膜[44]

总的来说，虽然光敏剂被证明是赋予口罩抗菌和自消毒特性的有效成分，但在没有光线的情况下，就失去了功效。因此，在多云天气、白天及全天阳光照射较少的地区，含有光敏剂的口罩抗菌效果会大幅降低，极端情况下甚至会完全失效。因此，加入即使在黑暗条件下也能释放ROS 的内过氧化物[45]和苯烯酮基光敏剂[46]等化合物可能是解决这一问题的合适方案。另一方面，光敏剂对SARS-CoV-2 的抗病毒机理有待深入研究。

2 可生物降解型口罩

口罩的原材料通常来自石油基不可降解聚合物，目前还没有关于口罩回收的标准方法。除了对口罩进行废物管理和推广使用可重复使用的口罩之外，利用可再生和/或生物降解材料制备一次性口罩也是一种切实可行的方法。而生物聚合物的降解源于酶或水解，从而分解为无毒气体、水和碳质土壤[47]。

2.1 合成可降解聚合物改性的可生物降解型口罩

聚乙烯醇、聚氧化乙烯、聚己内酯（polycaprolactone，PCL）和聚乳酸（polylactic acid，PLA）等为常见的合成可降解聚合物，可以通过熔融纺丝、湿法纺丝和/或静电纺丝等技术生产。合成纤维则易于加工，具有良好的机械性能。

PLA 是最具代表性的生态友好型生物降解物之一，是一种线性脂肪族热塑性聚酯，由天然产生的乳酸缩聚或丙交酯开环聚合而成[48]。研究发现纯PLA 制备的三层一次性口罩在碱性条件下降解最为显著[49]，降解集中在中间熔喷层，主要发生随机断链和烯醇或烯醇末端的裂解。He 等[50]介绍了一种基于静电纺丝和三维打印的简易方法来制备可生物降解的PLA口罩。通过将聚合物印刷在PLA 纳米纤维网上，制备出具有层次化结构和透明外观的纳米多孔口罩，并且研究了温度对纳米多孔过滤器光学、力学、形貌和过滤性能的影响。Wang 等[51]基于绿色可生物降解PLA 材料，提出了可生物降解、可重复使用、耐用、透气、高效的口罩的制备方法。该研究首次利用静电纺丝技术成功制备了真正纳米级的PLA 纤维，并通过静电纺丝方法将PLA 沉积在三维支架纳米纤维膜大孔上形成了多尺度结构。通过调整PLA 纤维与三维支架纳米纤维膜的纤维密度比，优化了其多尺度结构，制备的材料具有孔径小、孔隙率高、孔径分布窄的综合特点。基于该材料制备的口罩具有优异的综合性能，包括强大的过滤性能和低空气阻力。更重要的是，制备的口罩具有持久回收性能和生物降解性，有助于缓解在抗击COVID-19 疫情中口罩产生的二次污染的问题。

Khandaker 等[52]则通过静电纺丝技术成功制备了PCL 纳米纤维布。2 层PCL 纳米纤维布能够过滤出直径大于120 nm 的病毒颗粒，具有足够的强度来承受最大的吸气和呼气压力而不会发生任何破损，还可以缝合到普通织物上。基于PCL 纳米纤维布制备的口罩可能比目前医务人员使用的普通外科口罩能更有效地阻止SARS-CoV-2 的传播。

2.2 天然可降解聚合物改性的可生物降解型口罩

天然可降解聚合物包括壳聚糖、海藻酸钠、胶原蛋白和明胶等，具有优异的生物相容性。

聚丁二酸丁二醇酯[poly（butylene succinate），PBS]是一种具有代表性的生物可降解聚合物，常可通过静电纺丝制备纤维无纺布。而壳聚糖是一种生物基材料，已被证明具有良好的生物学特性，包括生物相容性、生物降解性和相对低毒性[53]。Choi 等[54]设计了一种基于易于获得的可生物降解材料的可生物降解、高效、防潮和低压降的口罩过滤层（如图10 所示）。将PBS 的超细纤维和纳米纤维垫集成到过滤器中，然后用带阳离子电荷的壳聚糖纳米晶须（chitosan nanowhiskers，CsW）涂覆，得到壳聚糖包覆PBS纳米纤维/超细纤维口罩。由于物理筛分和静电吸附的结合，CsW 涂层的超细纤维/纳米纤维集成口罩去除细颗粒物（PM2.5）的效率高达98%，同时在最厚的过滤层上提供的最大压降仅为59 Pa，这对于人类呼吸来说很舒适。另外，即使在完全潮湿的情况下，该口罩对细颗粒物的去除效率损失也可以忽略不计。而且，该口罩在堆肥土壤中4 周内可以完全生物降解。

图10 壳聚糖包覆PBS 纳米纤维/超细纤维过滤膜示意图[54]

聚羟基烷酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA）是一种生物聚合物，由多种微生物作为碳源和活性源结合而成。基于PHA 良好的坚固性和孔隙率以及不粘特性，Al-Hazeem[55]利用静电纺丝技术制作了新型可降解口罩。扫描电子显微镜结果显示，直径为1 μm的纤维结构密度较高，可以提高纤维的硬度和压降。高密度而规则的纤维使其在口罩的制备中具有重要的优势，有助于降低防止SARS-CoV-2 传播的风险。

对于可生物降解型口罩来说，在保证60～140 nm范围内的孔径的前提下，还需要进一步提高其防潮、防火以及机械性能等方面的性能。

3 自清洁型口罩

过滤后的颗粒会积聚在口罩表面，存在限制和阻塞气流通过的风险。因此，在这种情况下，需要一种防污机制来清洁口罩。

3.1 纳米孔改性的自清洁型口罩

El-Atab 等[56]采用光刻和化学蚀刻相结合的方法，制备出硅基纳米多孔薄膜。首先通过对绝缘体上的硅晶片进行图纹和氢氧化钾蚀刻，制备了硅基纳米多孔模板。该多孔模板可重复使用以形成多种膜，还可以在同一膜上重复蚀刻，以增加孔隙率。然后将制得的多孔模板作为硬掩膜，通过离子蚀刻转移到超薄疏水聚合物薄膜上（如图11 所示）。采用该方法获得的薄膜具有尺寸小于5 nm 的纳米孔，而且纳米孔分布较窄，具有良好的透气性。研究发现，这种薄膜可以附着在织物上，每次使用后都可以更换。因此，该柔性膜可用于制备可重复使用的N95 口罩，以提高其对直径约为300 nm 以下颗粒（包括SARS-CoV-2）的过滤效率。此外，由于该薄膜具有超薄疏水的特性，液滴会在口罩表面上滚动和滑动，有助于口罩的防污和自清洁。

图11 纳米孔薄膜的制备工艺流程[56]

3.2 聚硅氧烷改性的自清洁型口罩

基于多孔过滤技术制备的聚氨酯口罩具有良好的弹性、舒适性、柔软性和良好阻隔性，可以重复使用且价格低廉。但其表面具有亲水性，这会导致口罩的透气性变差，还会促进微生物的生长。针对以上问题，Ray 等[57]开发了一种疏水膜涂层，制备了新型自清洁聚氨酯口罩。该涂层由正硅酸乙酯（tetraethyl orthosilicate，TEOS）和十六烷基三甲氧基硅烷（Hexadecyltrimethoxysilane，HDTMS）溶液水解制成。即TEOS 在水/乙醇溶液中可以水解/醇解生成长链烷基硅烷，HDTMS 在乙醇溶液中水解生成长链烷基硅烷。然后，通过将低表面自由能的长链烷基硅烷引入SiO2表面，可以在SiO2表面形成疏水的改性表面，进而可获得疏水涂层。该涂层简便易得，经其涂覆后的口罩的平均孔径变化很小，仍能保持良好的透气性和防水能力。因此，采用该涂层制备的新型口罩具有防滴、疏水和自清洁的特性，在COVID-19 疫情防控领域具有很大的应用潜力。

4 电子智能口罩

发烧、干咳、腹泻、呼吸困难、头痛和肺部炎症是COVID-19 患者最常见的症状[58]。因此，体温监测至关重要[59]。而皮肤温度易受气流和环境温度的变化，进而直接影响测量结果。红外温度计可以进行快速、非接触的测量，但易受距离、测量地点和环境等外部因素的影响。另外，COVID-19 会导致患者呼吸短促、肺损伤和呼吸功能受损[60]，甚至可能会出现急性呼吸窘迫综合征并发症。因此，COVID-19 患者的呼吸频率监测也很重要。

针对以上问题，Lazaro 等[61]将温度和呼吸频率监测系统集成到口罩中，制备了一种可以监测体温和呼吸频率的智能口罩（如图12 所示）。体温是由非侵入式双热流系统测量的，该系统由4 个相互隔离的绝缘材料传感器组成，根据安装在检修门内外的2个LoRa 收发器接收到的信号确定智能口罩的相对位置。而呼吸频率是由口罩内的温度变化得到的，用位于鼻子附近的热敏电阻测量。实验结果表明，体温测量的准确性与腋下热敏电阻的测量结果一致。另外，为了监测呼吸频率，该研究采用能够检测温度变化的温度气流传感器。与其他温度传感器相比，温度气流传感器具有价格低廉、灵敏度高等优点。温度气流传感器由一个热敏电阻组成，集成在口罩中，位于鼻子下方，可通过口罩内的温度变化来有效监测口罩佩戴者的呼吸频率。此外，该智能口罩还可以通过热敏电阻温度是否突然升高来监测佩戴者是否有咳嗽症状。因此，该智能口罩在为佩戴者提供有效防护的前提下还可用于SARS-CoV-2 感染者的筛查。

图12 可以监测体温和呼吸频率的智能口罩[61]

5 结语

目前，佩戴个人防护用品对应对SARS-CoV-2传播至关重要。而传统的口罩只起到一定的过滤或屏障的作用，不能灭活病毒和细菌。同时，使用后的口罩可能成为病毒或微生物的传播源。消除口罩污染源扩散最可靠的方法是焚烧。然而，焚烧会产生大量有毒气体和二氧化碳，这势必会引起环境问题。因此，为了解决以上问题，抗菌抗病毒型口罩、自清洁型口罩和可生物降解型口罩等多种功能性口罩已经被成功研发出来。

尽管在研究先进口罩方面取得了重大进展，但在实际应用方面仍存在一些挑战。对于抗菌抗病毒型口罩来说，首先，某些高含量的金属纳米粒子接触皮肤时可能产生高细胞毒性。其次，石墨烯材料具有较高的电热和光热性能，但石墨烯改性的新型口罩的光热性能无法由用户控制或调节，因此在佩戴口罩时可能存在温度过高的风险。光敏剂在黑暗的环境中是没有抗菌效用的。同时，功能化的纳米颗粒可能被佩戴者吸入，存在一定的健康风险。对于大多可生物降解的先进口罩来说，佩戴者呼吸造成的水汽会在其亲水性的表面造成一定的滞留，这会导致口罩的透气性变差，还会促进微生物的生长。而电子智能口罩在提供更优越的体验之外，佩戴者的舒适度也有待提高。此外，与现有成熟的相关技术相比，功能性口罩的成本较高，在一定程度上限制了其广泛应用。

因此，口罩的性能和功能还有很大的改进空间。首先，应系统评估功能性口罩的持久性，即随着使用时间的推移其性能是否会改变。其次，如何将金属纳米颗粒的含量调整到合适的水平，是减少副作用的关键。此外，价格相对较高一直是功能性口罩工业化的瓶颈。所以，在优化现有功能性口罩性能的同时，开发具有多重功能的新型口罩也是未来的研究热点和重点之一。最后，监督管理部门应尽快建立新型口罩的监管体系，以适应其日新月异的发展。