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成果展示

棉纺织品（Cotton textiles）在日常生活中无处不在，也是传播病毒和细菌的主要媒介之一。制造抗病毒和抗菌纺织品的传统方法通常是将功能性添加剂加载到织物或其微纤维表面，但由于添加剂的浸出，这种改性物在长期使用后容易变质。

基于此，美国马里兰大学胡良兵教授和William E. Bentley（共同通讯作者）等人报道了一种新的制备抗菌棉纺织品的策略，该策略基于一种基本不同的原理，即在分子水平上通过铜（Cu）离子和纤维素分子之间的强配位键将Cu离子结合到棉花结构中。利用该策略可生产出抗病毒和抗菌的棉纺织品，这些纺织品能以可扩展和经济高效的方式穿着和洗涤，从而在日常生活中实现应用。

该策略利用了一种破坏连接纤维素链的氢键网络的策略，然后将Cu(II)离子扩散到溶胀的纤维素材料中，使其与纤维素链上的羟基配位，并形成稳定的铜离子-纤维素复合物。将棉织物浸泡在Cu(II)饱和NaOH溶液中，通过一锅反应完成上述两个过程。由于铜离子与其相邻纤维素链之间的配位键，使得该铜离子织物（Cu-IT）在空气和水中高度稳定，耐磨损。铜离子可以与病毒基因组相互作用，抑制病毒复制，并通过破坏细胞膜和诱导活性氧（ROS）导致细菌和真菌的接触性死亡。

此外，Cu-IT还显示出更好的机械性能，比未改性纺织品的拉伸强度提高了约23%，这是由于铜离子作为纤维素分子链之间的“交联剂”的作用。作为概念的证明，作者表明Cu-IT对烟草花叶病毒（TMV）、甲型流感病毒（IAV）、大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌具有很高的抗病毒和抗菌活性。同时，Cu-IT的制备简单、可扩展且低成本，可以应用于不同类型的棉织物。该策略可以提供对纤维素材料的新理解，为其应用增加新的维度。

图1. Cu-IT的结构和性能

背景介绍

近年来，流感、肠胃炎、结核病、肺炎等流行病频繁爆发，这些疾病可通过人类活动传播，其中服装和其他纺织品是病毒和细菌种类培养和转移的主要载体。近几十年来，研究人员研究了将抗病毒和抗菌性能融入棉织物的各种方法。棉织物由纤维素分子组成的分层微结构组成，而纤维素分子是由d-葡萄糖单体通过β-(1, 4)糖苷键连接而衍生的聚合物。纤维素聚合物通常由纤维素合成酶复合物（CSC）生物合成，形成直径约1.5-3.5 nm的基本原纤维。

这些基本纤维进一步自组装成形成纤维素纳米纤维，其标称横截面尺寸约为10 nm，最终形成直径为10 μm的微纤维。然而，目前生产抗病毒和抗菌纺织品的主流策略只是将抗病毒和抗菌添加剂物理加载到织物上，而没有充分利用材料的分子结构。例如，涂有金属铜、Cu₂O和CuO纳米颗粒的棉织物具有很高的抗病毒和抗菌效果，但这些添加剂是通过气相沉积、蒸发、喷涂等方法加入，由于粘附性低、机械强度弱和粘接能力有限，引起了人们对涂层耐磨和洗涤耐久性的担忧。此外，这些方法成本高、规模化难度大，阻碍了其广泛应用。

图文解读

材料的合成与表征

首先，将一块棉织物浸泡在饱和Cu(II)的蓝色NaOH水溶液中，直到织物没有进一步的颜色变化为止。然后，将蓝色纺织品取出，用去离子水(DI)清洗，去除残留的NaOH和多余的Cu(II)离子。最后，纺织品被干燥，准备进一步使用。在不同浸泡时间下制备的Cu-Its，其铜含量不同。铜含量随着反应时间的增加而增加，浸泡1天后铜含量稳定在12.64 wt%。

图2. Cu-IT的表征

抗病毒和抗菌活性

作者以TMV和IAV为模式病毒，大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、铜绿假单胞菌和枯草芽孢杆菌为模式菌。接种（初始TMV浓度为500 ng ml^-1，高度传染性剂量）烟草球菌叶片（5 天）：左侧叶片接种的TMV，用Cu-IT或未改性纺织品处理3 h；右侧叶片接种TMV 24 h。在接种了Cu-IT处理的TMV上没有观察到病变，3 h的处理足以使Cu-IT生效，而接种未经改性的纺织处理的TMV上观察到大量的病变，并且处理24 h的TMV的病变数量更高。结果表明，Cu-IT对TMV表现出优异的抗病毒活性。当Cu-IT与低浓度IAV溶液时，感染性显著降低，比无纺织物培养的IAV溶液低567倍。与未改性织物一起孵育的IAV也导致传染性降低，但远低于（4倍）。此外，当Cu-IT与高浓度IAV溶液时，未发现斑块，而未改性织物的传染性降低（22.5倍）。结果表明，Cu-IT对IAV具有优异的抑制活性。

图3. Cu-IT的抗病毒和抗菌活性

图4. Cu-IT的力学性能和稳定性

可扩展生产演示

作者利用卷对卷（roll-to-roll）的生产方法，制备Cu-IT的三步工艺可扩展，包括制备Cu(II)饱和NaOH溶液、简单浸泡使Cu(II)离子与纤维素分子配合、清洗和干燥。将原棉T恤放置在300 mm×200 mm×30 mm的容器中，容器中装满饱和铜(II)的氢氧化钠溶液，浸泡约7天，直到颜色变成蓝色。在洗涤和干燥后，所制成的Cu-IT T恤表现出良好的物理性能，但略有收缩。此外，利用相同方法从未漂白的棉布制备了一卷宽35 cm、长280 cm的Cu-IT布。因此，这种高度可扩展、低成本和环保的制被工艺使Cu-IT具有巨大的实际应用潜力。

图5. Cu-IT的可扩展生产

文献信息

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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