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上海理工大学马悦副教授：维生素K3光敏剂与纳米纤维膜的共价结合，用于日光驱动的抗菌应用

新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情的持续蔓延充分证实了病原微生物引发的传染病对全球公共卫生安全的严重威胁。在疫情防控中，医护人员依赖医用口罩、防护服等个人防护装备（PPE）作为主要防护手段，然而这些传统PPE仅能通过物理阻隔作用降低感染风险，病原体在PPE表面长期存活增加交叉感染风险。因此，为PPE赋予高效抗菌功能成为减少病原体感染的理想解决方案。现有技术主要通过添加抗菌剂实现这一目标，但抗菌剂会因不可逆化学反应而逐渐失活，虽有研究表明光敏剂特定光照下持续产生活性氧（ROS）实现抗菌，但其与基体材料间相互作用较弱，长期使用中可能发生溶出，导致其光抗菌效率下降。基于此，开发一种通过化学键合方式固定光敏剂、具有稳定日光驱动型抗菌功能的新型PPE材料具有重要的临床价值和应用前景。

近日，上海理工大学马悦副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“Covalent binding of Vitamin K3 photosensitizers to nanofibrous membranes for daylight-driven antimicrobial applications”。研究者通过光敏剂VK3与纳米纤维膜EVOH共价接枝，设计并合成了一种日光驱动的抗菌纳米纤维膜，所获得的VK3-EVOH膜能够快速产生ROS(OH· = 17.6 μmol g-1 h-1; H2O2 = 17.8 μmol g-1 h-1; 1O2 = 13.6 μmol g-1 h-1)，并且具有光谱抗菌性以及高抗菌效率。

此外，研发的VK3-EVOH纳米纤维膜对气溶胶和液态传播的病原体均表现出良好的接触杀灭效果，在制成口罩和防护服中具有潜在的应用前景。

图1：VK3-EVOH纳米纤维膜的制备和表征。

通过将VK3环氧化为VK3O并将其共价接枝在静电纺丝纳米纤维膜EVOH上（图1a）。SEM图像显示接枝后由平均直径440 nm溶胀为约500 nm，但膜的多孔结构仍得以保留，确保了VK3-EVOH的透气性与ROS生成能力。整体而言，该纳米纤维膜制备工艺简便，改性过程简单，且采用易得的电纺基质，具备规模化生产潜力（图1b）。FT-IR图像以及XPS图像表明C-O-C醚键和萘醌环的C=O的形成，验证了光敏剂VK3与纳米纤维膜EVOH的接枝成功（图1c、1d、1e、1f）。

图2：VK3-EVOH纳米纤维膜的ROS产生原理。

图3：VK3-EVOH纳米纤维膜的I型II型光反应以及ROS生成。

如图2所示，VK3-EVOH纳米纤维膜产生ROS遵循Jablonski图描述的机理（图2b），其光反应激发过程主要为激发到S8和S6态（单线态）后通过系间穿越到T1(三线态）产生ROS（图2c），主要为n HOMO向π*LUMO的能级跃迁（图2d），并且通过通过静电势（ESP）映射的电子密度分析证实（图2e），三重态的VK3-EVOH较单重态具有更强氧化性。三重态后，靠近EVOH骨架的羰基氧ESP电荷（σ）从-0.477增至-0.401，而近羟基端的羰基氧从-0.484降至-0.519。氧化能力的整体提升使三重态VK3-EVOH更易参与夺氢或电子转移等氧化反应，从而促进ROS生成。图3正式ROS生成的I型II型光反应可自发进行，并且ROS持续产生(OH· = 17.6 μmol g-1 h-1; H2O2 = 17.8 μmol g-1 h-1; 1O2 = 13.6 μmol g-1 h-1)。

图4：VK3-EVOH纳米纤维膜的抗菌性能及抗菌机制。

图5：VK3-EVOH纳米纤维膜的医学防护应用。

此外，制备的VK3-EVOH纳米纤维膜在有无COD条件下表现出良好持续的抗菌效率。优异的持续抗菌性能使VK3-EVOH纳米纤维膜的潜在应用成为新型PPE材料。因此，VK3-EVOH可作为高效抗菌表面保护层，集成于常规个人防护装备（PPE）中，对气溶胶和液态传播的多种病原体均能提供强效生物防护功能。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166068

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