研究背景指出，COVID-19大流行凸显了对具有更佳抗病毒和抗菌性能的可重复使用口罩的需求。石墨烯基纳米材料凭借其强大的生物杀灭特性和出色的持久性，为开发尖端防护织物提供了一条前景广阔的途径。本研究旨在创建一种经还原氧化石墨烯（rGO）处理的织物口罩，以期满足世界卫生组织（WHO）的性能标准。方法部分提及，采用改进的Hummers工艺制备了还原氧化石墨烯（rGO）。随后，利用聚氨酯（PU）粘合剂将此rGO施加于由机织棉和聚酯制成的外层。同时，内层棉织物经壳聚糖处理。口罩依据WHO标准进行检测，评估了有害物质的存在情况，并考察了在经历五次和十次ISO洗涤周期后的性能保持情况。抗菌效果在大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）上进行测试，而抗病毒效果则针对严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）进行评估。结果显示，还原氧化石墨烯（rGO）涂层分布均匀，颗粒尺寸介于100至200纳米之间。所有经处理的织物均符合WHO制定的安全与性能标准。抗菌效果随rGO浓度增加而增强，在0.4%浓度时观察到显著的抑制作用。该口罩在使用75毫克石墨烯20分钟后，对SARS-CoV-2的减少率达到99.3%。其有效性在经过五次洗涤周期后维持在96.6%，十次后为80.4%。结论部分表明，本研究成功开发了一种持久、可重复使用的织物口罩，该口罩涂覆石墨烯并展现出强大的抗菌和抗病毒特性。该技术提供了一种可持续的防护解决方案，并有望作为未来抗菌纺织品应用的平台。临床试验编号：不适用。
### 研究背景与目的
冠状病毒病2019（COVID-19）的大流行使得纳米技术的重要性日益凸显，此前的研究表明，纳米颗粒已展现出可接受的抗病毒效果。因此，科学家们开始研究此类纳米颗粒及其复合材料的抗病毒作用，以增强防护手段。口罩已成为减少病毒传播和改善空气质量的重要配件，目前全球主要使用的口罩由纺织材料制成。口罩在外部环境与呼吸系统之间建立屏障，纺织品的网孔尺寸是影响病原体飞沫和颗粒物滞留的关键特性。开发具有最佳网孔尺寸的纺织口罩以限制纳米飞沫积聚，具备独特属性，可同时提供针对颗粒物、病原体飞沫、颗粒和病毒的防护。石墨烯纳米颗粒是最新的一类纳米材料，具有优异的性能，可在科学或技术领域的不同程度上得到应用。作为纺织材料，当用作三种不同基材（机织棉和聚酯织物）的纳米涂层时，可增强其导电性和抗菌性能，且不会改变纺织品的外观，如柔软度和拉伸强度。石墨烯是一种可行的工业碳同素异形体，具有独特的电学、热学和机械性能，以及显著的抗菌活性。石墨烯的加入已被证明可以改善织物和纺织品的性能。制造出的纺织口罩将针对其物理特性、抗菌有效性、杀病毒能力和过滤效率进行评估。经全面定义的纺织口罩将为开发针对感染性疾病以及导致COVID-19（一种由SARS-CoV-2病毒引起的传染病）等空气传播疾病的病毒携带飞沫的潜在防护材料提供重要数据。尽管外科口罩被广泛使用，但由于其固有的局限性，仍存在大量感染风险。口罩外表面疏水且孔径不适合非感染性的呼吸颗粒物。使用由普通合成纺织品制成的布、棉或聚酯口罩也未得到充分认可。相比之下，石墨烯具有高达99%的渗透性、紫外线阻隔性和强耐用性。该研究旨在开发和评估注入石墨烯纳米颗粒的非织造纺织口罩的效果，以增强其过滤、抗菌和杀病毒特性，同时检查与之相关的任何潜在副作用。具体目标包括：（1）考察经石墨烯纳米颗粒处理后纺织口罩对气溶胶颗粒的过滤效率；（2）评估处理后纺织口罩的抗菌性能；（3）评估经不同浓度石墨烯纳米颗粒处理的纺织口罩的杀病毒功效；（4）表征和分析暴露于不同形式纳米级石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的影响；（5）为安全使用经处理的含石墨烯纳米颗粒的纺织口罩以预防传染病提供建议。
### 主要关键研究技术方法
本研究的主要技术方法包括：采用改进的Hummers法制备还原氧化石墨烯（rGO）纳米片；将制备的rGO与聚氨酯（PU）固定剂和非离子分散剂混合，通过超声研磨形成均匀分散液；将机织外层织物浸入rGO/PU浴液中，经浸轧、烘干和固化后，再用疏水性氟化化合物进行处理；内层棉织物经壳聚糖溶液处理以增强抗菌性和亲水性；最后将内外两层缝合制成双层口罩。口罩的表征使用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）与能谱仪（EDX）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）以及激光粒度分析仪。口罩的性能测试依据世界卫生组织（WHO）标准和ASTM相关标准进行，包括安全性指标（如甲醛、偶氮化合物、重金属）和功能性指标（如拒水性、pH值、透气性、孔径）。抗菌和抗病毒效能测试分别针对大肠杆菌（E. coli）、金黄色葡萄球菌（S. aureus）和严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）进行。口罩的耐久性依据ISO 6330:2012标准进行洗涤循环测试。研究样本来源于埃及纺织工业公司（Ghazel El-Mahala for Textile Industry Co., Egypt）提供的混纺机织面料（涤棉80/20）和纯棉针织面料。
### 研究结果
**3.1 GO和rGO的表征**
通过X射线衍射（XRD）分析证实了氧化石墨烯（GO）的成功合成，其在9.5°和42.4°出现特征衍射峰。热还原后，还原氧化石墨烯（rGO）的XRD图谱在24°出现宽衍射峰，对应于(002)晶面，表明因含氧官能团去除导致层间距减小。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示GO为褶皱的二维片状结构，边缘尖锐，形状不规则，约有三层重叠；rGO的HRTEM图像进一步证实了多层堆叠结构。能谱（EDX）分析显示，rGO的主要元素组成为碳、氧和氮。激光粒度分析表明，rGO颗粒尺寸分布在100至200纳米之间，这可能是由于聚氨酯粘合剂导致纳米颗粒发生了一定程度的团聚。
**3.2 纺织口罩的规格**
对处理后的织物进行检测，结果表明其规格在可接受参数范围内。口罩孔径为25微米，总重量11克，宽23厘米，长16.5厘米。外层为80/20棉/聚酯机织面料（Dacron），内层为100%棉针织面料（单面平针）。功能性测试结果显示，口罩的拒水等级为5，pH值为6.5，液体渗透性为19，透气性为35，尺寸稳定性也符合要求。对甲醛含量、偶氮化合物、苯酚值和重金属等有害物质的检测均未检出信号，表明该可重复使用口罩的使用不会对人类和环境造成有害影响。所有测量值均位于世界卫生组织（WHO）规定的可接受范围内。
**3.3 抗菌与抗病毒活性**
表2显示了经不同浓度rGO处理的口罩对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）在24小时后的抑制效率。结果证实，随着整理配方中rGO浓度从0.1%增加至0.4%，抗菌效率随之提高，表明石墨烯对细菌生长具有高效抑制作用。表3显示了经不同浓度rGO处理的口罩对严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）的抗病毒活性。结果显示，经石墨烯处理的织物样本对SARS-CoV-2表现出高抗病毒活性：在75毫克浓度下，接触20分钟后抑制百分比达90%；50毫克浓度下为78%；25毫克浓度下为53.3%。
### 讨论部分总结
基于本研究结果，讨论部分涵盖了以下几个要点：首先，石墨烯处理的有效性：与未处理口罩相比，注入石墨烯的口罩显示出改进的抗病毒和抗菌特性。更高的石墨烯浓度（最高至0.4%）增强了抗菌效果，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出强力抑制。针对SARS-CoV-2的抗病毒测试显示，在75毫克石墨烯浓度下，20分钟内抑制率高达90%。其次，安全性与口罩规格：双层口罩设计（内层针织、外层机织）符合WHO关于透气性、拒水性和无有害物质等方面的要求，未含有重金属、偶氮化合物或甲醛等危险物质。第三，耐久性：经过多次洗涤循环后，石墨烯处理仍然有效，表明可重复使用口罩具有良好的耐久性。第四，优于传统口罩：与传统一次性口罩相比，注入石墨烯的可重复使用口罩提供了更好的细菌和病毒防护，其可重复使用的设计有助于解决与一次性口罩处置相关的环境问题。第五，潜在应用：在COVID-19大流行等传染病暴发期间，此口罩设计可能是适用的。该技术也可能应用于其他需要抗菌性能的防护服装和纺织品。第六，局限性与未来研究：可能需要更多研究来确定长期佩戴下的安全性和有效性。通过优化石墨烯浓度和应用技术可以进一步提高性能。文中还讨论了游离石墨烯颗粒可能带来的吸入风险，指出使用聚氨酯等聚合物固定剂并固化处理，能显著减少颗粒脱落，但在极端机械损伤情况下仍可能释放少量颗粒。
### 结论翻译
本研究通过使用石墨烯纳米颗粒，为开发持久、可重复使用的口罩提供了科学基础，此类口罩能提供针对细菌和病毒感染（如SARS-CoV-2）的增强防护。最终成功设计出符合世界卫生组织（WHO）规格的可重复使用纺织口罩，并进行了抗菌和抗病毒处理。与未经处理的口罩相比，经处理口罩的抗菌和抗病毒性能得到提升。该技术确保了有效的过滤和透气性，使其适用于多种应用。本研究证明，石墨烯作为一种永久性处理物质，用于可重复使用纺织口罩是高效的。口罩由两层构成：外层为80%棉和20%聚酯混纺机织面料，具有保持呼吸通畅、防止飞滴通过和拒水的特性；内层为100%棉针织面料，经酶处理（防起毛处理）后光滑并能吸收水蒸气和湿气。该口罩设计符合WHO规格（拒水性、pH值、透气性、液体渗透性、孔径、甲醛含量、偶氮化合物、苯酚值和重金属）。本研究通过石墨烯处理为纺织口罩增加了抗菌特性，以提供更全面的防护。从先前和近期的研究来看，石墨烯处理样品与铜处理样品在抗菌方面均表现良好，差异不大，但石墨烯因其非重金属特性而更受青睐。这项研究为纺织口罩增加了价值，使其在满足规定规格的同时具备了抗菌功能，以实现更高级别的防护。
