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胡良兵團隊，最新Nature Nanotechnology！

成果展示

棉紡織品（Cotton textiles）在日常生活中無處不在，也是傳播病毒和細菌的主要媒介之一。制造抗病毒和抗菌紡織品的傳統方法通常是將功能性添加劑加載到織物或其微纖維表面，但由于添加劑的浸出，這種改性物在長期使用后容易變質。

基于此，美國馬里蘭大學胡良兵教授和William E. Bentley（共同通訊作者）等人報道了一種新的制備抗菌棉紡織品的策略，該策略基于一種基本不同的原理，即在分子水平上通過銅（Cu）離子和纖維素分子之間的強配位鍵將Cu離子結合到棉花結構中。利用該策略可生產出抗病毒和抗菌的棉紡織品，這些紡織品能以可擴展和經濟高效的方式穿著和洗滌，從而在日常生活中實現應用。

該策略利用了一種破壞連接纖維素鏈的氫鍵網絡的策略，然后將Cu(II)離子擴散到溶脹的纖維素材料中，使其與纖維素鏈上的羥基配位，并形成穩定的銅離子-纖維素復合物。將棉織物浸泡在Cu(II)飽和NaOH溶液中，通過一鍋反應完成上述兩個過程。由于銅離子與其相鄰纖維素鏈之間的配位鍵，使得該銅離子織物（Cu-IT）在空氣和水中高度穩定，耐磨損。銅離子可以與病毒基因組相互作用，抑制病毒復制，并通過破壞細胞膜和誘導活性氧（ROS）導致細菌和真菌的接觸性死亡。

此外，Cu-IT還顯示出更好的機械性能，比未改性紡織品的拉伸強度提高了約23%，這是由于銅離子作為纖維素分子鏈之間的“交聯劑”的作用。作為概念的證明，作者表明Cu-IT對煙草花葉病毒（TMV）、甲型流感病毒（IAV）、大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、銅綠假單胞菌和枯草芽孢桿菌具有很高的抗病毒和抗菌活性。同時，Cu-IT的制備簡單、可擴展且低成本，可以應用于不同類型的棉織物。該策略可以提供對纖維素材料的新理解，為其應用增加新的維度。

圖1. Cu-IT的結構和性能

背景介紹

近年來，流感、腸胃炎、結核病、肺炎等流行病頻繁爆發，這些疾病可通過人類活動傳播，其中服裝和其他紡織品是病毒和細菌種類培養和轉移的主要載體。近幾十年來，研究人員研究了將抗病毒和抗菌性能融入棉織物的各種方法。棉織物由纖維素分子組成的分層微結構組成，而纖維素分子是由d-葡萄糖單體通過β-(1, 4)糖苷鍵連接而衍生的聚合物。纖維素聚合物通常由纖維素合成酶復合物（CSC）生物合成，形成直徑約1.5-3.5 nm的基本原纖維。

這些基本纖維進一步自組裝成形成纖維素納米纖維，其標稱橫截面尺寸約為10 nm，最終形成直徑為10 μm的微纖維。然而，目前生產抗病毒和抗菌紡織品的主流策略只是將抗病毒和抗菌添加劑物理加載到織物上，而沒有充分利用材料的分子結構。例如，涂有金屬銅、Cu₂O和CuO納米顆粒的棉織物具有很高的抗病毒和抗菌效果，但這些添加劑是通過氣相沉積、蒸發、噴涂等方法加入，由于粘附性低、機械強度弱和粘接能力有限，引起了人們對涂層耐磨和洗滌耐久性的擔憂。此外，這些方法成本高、規模化難度大，阻礙了其廣泛應用。

圖文解讀

材料的合成與表征

首先，將一塊棉織物浸泡在飽和Cu(II)的藍色NaOH水溶液中，直到織物沒有進一步的顏色變化為止。然后，將藍色紡織品取出，用去離子水(DI)清洗，去除殘留的NaOH和多余的Cu(II)離子。最后，紡織品被干燥，準備進一步使用。在不同浸泡時間下制備的Cu-Its，其銅含量不同。銅含量隨著反應時間的增加而增加，浸泡1天后銅含量穩定在12.64 wt%。

圖2. Cu-IT的表征

抗病毒和抗菌活性

作者以TMV和IAV為模式病毒，大腸桿菌、鼠傷寒沙門氏菌、銅綠假單胞菌和枯草芽孢桿菌為模式菌。接種（初始TMV濃度為500 ng ml^-1，高度傳染性劑量）煙草球菌葉片（5?天）：左側葉片接種的TMV，用Cu-IT或未改性紡織品處理3 h；右側葉片接種TMV 24 h。在接種了Cu-IT處理的TMV上沒有觀察到病變，3 h的處理足以使Cu-IT生效，而接種未經改性的紡織處理的TMV上觀察到大量的病變，并且處理24 h的TMV的病變數量更高。結果表明，Cu-IT對TMV表現出優異的抗病毒活性。當Cu-IT與低濃度IAV溶液時，感染性顯著降低，比無紡織物培養的IAV溶液低567倍。與未改性織物一起孵育的IAV也導致傳染性降低，但遠低于（4倍）。此外，當Cu-IT與高濃度IAV溶液時，未發現斑塊，而未改性織物的傳染性降低（22.5倍）。結果表明，Cu-IT對IAV具有優異的抑制活性。

圖3. Cu-IT的抗病毒和抗菌活性

圖4. Cu-IT的力學性能和穩定性

可擴展生產演示

作者利用卷對卷（roll-to-roll）的生產方法，制備Cu-IT的三步工藝可擴展，包括制備Cu(II)飽和NaOH溶液、簡單浸泡使Cu(II)離子與纖維素分子配合、清洗和干燥。將原棉T恤放置在300 mm×200 mm×30 mm的容器中，容器中裝滿飽和銅(II)的氫氧化鈉溶液，浸泡約7天，直到顏色變成藍色。在洗滌和干燥后，所制成的Cu-IT T恤表現出良好的物理性能，但略有收縮。此外，利用相同方法從未漂白的棉布制備了一卷寬35 cm、長280 cm的Cu-IT布。因此，這種高度可擴展、低成本和環保的制被工藝使Cu-IT具有巨大的實際應用潛力。

圖5. Cu-IT的可擴展生產

文獻信息

Highly stable, antiviral, antibacterial cotton textiles via molecular engineering. Nature Nanotechnology, 2022, DOI: 10.1038/s41565-022-01278-y.

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01278-y.

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