空气过滤对保护人类健康至关重要,但商用合成超细纤维滤芯存在制造工艺复杂、生物降解性差、杀菌性能有限等挑战。在本研究中，研究者提出一种创新策略：使用源自动物皮张的胶原蛋白纤维网络进行可持续替代，通过物理处理结合两性离子共聚物功能化分散其纤维束，并采用锆处理实现稳定化。最终制得的滤芯凭借精细分散的纳米纤维（~120nm）和增强的功能基团暴露度，显著提升空气净化效果并展现出强大的抗菌性能。全生命周期评估证实其生物降解性和成本效益。
成都奥创生物参与了名为《Nanofibrillated collagen fiber networks for enhanced air purification》的实验项目，作者开发了一种简便的纳米纤维化策略，通过纳米纤维化天然CFNs实现对多种空气污染物如PM、生物气溶胶等的有效净化。作者感谢成都奥创生物科技有限公司在抗菌实验中给予的帮助
文章名：
Nanofibrillated collagen fiber networks for enhanced air purification（用于增强空气净化的纳米纤维胶原纤维网络）
nature communications 24 July 2025
DOI.10.1038/s41467-025-62146-6
挂名引用：
期刊介绍：
期刊名：nature communications
2024年影响因子/JCR分区：15.7/Q1
学科与分区：
Multidisciplinary Sciences Q1
出版国家或地区：England
颗粒物（PM）、生物气溶胶和挥发性有机化合物（VOC）等空气污染物对公众健康和生态系统构成威胁。但由熔喷聚丙烯（PP）纤维等合成微纤维制成的商用过滤器因其微米级纤维尺寸和有限的表面功能特性，对某些高风险污染物缺乏防护效果。此外，这类过滤器不可降解且不具备杀菌特性。
生物质衍生材料凭借其可再生性和化学多功能性，已成为合成纤维的有前途的可持续替代品。胶原纤维网络（CFNs）具有层次结构和强机械性能，从而使CFNs适用于分离多种物质。然而，胶原纤维通常会聚集成直径大于5μm的粗大束状结构，这种聚集现象显著降低了分离效率。此外，作为蛋白质基材料的胶原纤维为气态微生物提供了附着和生长的有利环境，导致过滤器性能下降并可能引发病原体传播。
研究团队提出了一种纳米纤维化与功能化策略，用于工程化天然CFNs以实现高性能空气净化。通过将机械作用与两性离子共聚物及Zr 4+离子的化学引入相结合，打破了氢键诱导的纤维聚集现象，将胶原纤维束转化为纳米级纤维，纳米纤维化过程还使其表面暴露更多活性氨基基团，改善了对甲醛（甲醛）等室内挥发性有机物的捕获效果。此外，两性离子聚合物中的磺酸基团与Zr 4+的配位作用赋予胶原基过滤器抗菌特性。因此，这种纳米纤维化方法能够利用天然胶原纤维开发高性能空气过滤器，其能有效去除包括PMs、致病性生物气溶胶和挥发性有机物在内的多种污染物。这种方法不仅推进了天然胶原纤维在空气净化中的应用，也为更广泛的应用开辟了可能性。
图1纤维素纳米纤维素（CFNs）的纳米纤化过程：
从图1A-D.展示了CFNs的三维分级结构及其两步纳米纤化流程。包括CFNs中氢键作用驱动胶原纤维聚集，PSG共聚物促进水合辅助纤维分散；基于锆的配位作用钝化活性位点。图1 E.展示了制备出规模化纳米纤维碳纳米管膜；图1F、G.为CFN与NanoCFN样品的横截面及顶面SEM对比图；图1H.为纤维直径纳米纤维化前后的统计分析。
图2纳米纤维化胶原纤维（CFNs）表征：
图2A.胶原纤维经各处理步骤前后的FTIR光谱对比。图2B.不同胶原纤维样品的XPS能谱分析。图2C-E. Nano-CFN的N 1s、C 1s及O 1s高分辨XPS谱图。图2F. CFN、PSG-CFN与Nano-CFN的XRD衍射图谱。图2G.计算PSG的表面电荷分布密度。图2H. Zr物种与二肽化合物相互作用的能量曲线。图2I.不同样品的DSC水熔融与汽化曲线。图2J. Tensile应力-应变曲线。图2K.胶原纤维在每个处理步骤之前和之后的热变性温度。
图3纳米纤维化CFNs的空气净化性能：
图3A.空气净化实验装置示意图及Nano-CFN的过滤机制。图3B.原始CFN、Nano-CFN与三层标准H13滤芯（3×H13)的甲醛去除效率对比。图3C. CFN、Nano-CFN及三层H13滤芯对不同粒径颗粒物的过滤效率。图3D. Nano-CFN去除颗粒物后的扫描电镜图像。图4E. CFN与Nano-CFN的孔径分布曲线。图3F.压力降2.5与CFN、Nano-CFN和3×H13滤芯的空气面速度对比。图3G. CFN、Nano-CFN和H13滤芯的质量因子（QF）及粉尘保持能力（DHC）的比较。图3H.使用配备Nano-CFN滤芯的商用空气净化器进行5次循环测试时的动态甲醛去除效率曲线。图3I.相同条件下动态PM去除效率。图3J. NanoCFN性能与已报道的蛋白质基空气滤材及其他常见滤材的对比分析。
图4纳米纤化纤维素滤纸（CFNs）微生物耐药性及生物气溶胶消除：
图4A.示意图展示纳米纤维素滤纸的微生物耐受特性。图4B.不同胶原基样品的Zeta电位值，其中Zr-CFN表示经锆（SO）交联的纤维素滤纸。图4C.不同滤芯在25°C、98%相对湿度环境下储存后的防霉性能测试结果。图4D.细菌灭活效果不同过滤器对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的过滤效率。图E、F. CFN、H13及Nano-CFN在50次重复实验中对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌气溶胶的捕获效率以及灭活效率，证明了Nano-CFN的抗菌持久性。
图5纳米纤维化CFNs的环境与经济分析：
图5A.描绘了Nano-CFN从生产到使用再到处置的生命周期。图5B. Nano-CFN经脱锆处理后的酶解过程。图5C. H13和Nano-CFN过滤器在模拟填埋场中的降解情况。图5D.与PP纤维、PET纤维和玻璃相比，纳米CFN的环境影响。图5E.针对材料生产及环境影响的成本明细分析。图5F.通过对比纳米碳纤维滤芯与三种常见过滤材料。突显其在整体性能上的显著优势。
作者开发了一种简便的纳米纤维化策略，通过工程化天然CFNs实现对多种空气污染物（包括PM、生物气溶胶和挥发性有机物）的有效净化。该方法协同结合物理处理与化学功能化技术，采用具有水结合基团的两性离子聚合物进行处理，随后通过锆处理稳定纳米纤维结构。所得纳米纤维化CFNs表现出更高的孔隙率和官能团暴露度，从而显著提升了甲醛和PMs（尤其是较小颗粒）的去除效率。两性离子聚合物中Zr4+离子与磺酸基团的协同作用显著增强了季铵基团的表面电荷，赋予滤膜抗菌性能。综合实验结果表明，纳米CFN的抗菌作用主要源于表面季铵基团通过静电作用破坏微生物细胞膜。这种可持续利用动物生物质资源的方法，为转型传统高耗能、高污染的皮革制造业等产业提供了极具吸引力的发展机遇。
