应对空气中颗粒物污染及病毒传播的双重挑战，高效呼吸防护至关重要。然而，传统滤材往往湿气管理能力不足，呼出水分在口罩微环境中冷凝，不仅影响舒适度，更会因液桥效应导致呼吸阻力显著增加。近日，中国矿业大学何新建教授与徐欢副教授团队，受到硅藻壳分层多孔结构与其两亲性表面的启发，提出一种创新的仿生多梯度策略，成功开发出性能卓越的生物可降解聚乳酸纤维膜。该材料集高效防护、湿气管理及自供电监测于一体，为下一代智能防护装备的发展开辟了新路径。

  2025年11月29日，相关成果以“Bioinspired Multi-Gradient Structure Enables Environment-Adaptive Personal Respiratory Protection and Moisture Management for Biodegradable Poly(lactic acid) Meta-Membranes”为题发表于学术期刊Advanced Functional Materials上。论文第一作者为2023级博士生李欣雨，合作者包括核生化灾害防护化学全国重点实验室赵越、李晓鹏、李和国研究员，中国安全生产科学研究院王小蕾研究员，以及扬州大学高杰峰教授。该研究获国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。

摘要图：仿生膜实现高效过滤、超低阻力与湿气管理功能一体化

受硅藻壳启发的仿生多梯度结构设计

  研究团队以兼具多级孔结构、两亲性界面与电荷存储特性的硅藻壳为仿生原型，提出一种系统性的仿生多梯度设计框架：首先，通过分步静电纺丝构筑大孔层与微孔层，模拟硅藻的“输运-过滤”双功能孔道；其次，引入界面取向因子调控聚乳酸分子排列，实现由疏水至亲水的梯度润湿性转变；最后，借助生物模板效应均匀分散纳米电介质，模拟硅藻的金属掺杂电荷限制机制。该设计使单一膜材料能够协同实现湿气定向输运、颗粒高效捕获及呼吸驱动传感。

从分子调控到梯度孔道的多层次构建

  该研究通过多层次的制备策略，实现了从分子取向调控到宏观孔道结构的跨尺度构筑。首先，在微孔层中引入界面取向因子，不仅使纤维直径细化，同时诱导聚乳酸分子链有序排列，从而实现材料表面润湿性的定向转变。继而，以此有序化界面为生物模板，将Ag-TiO₂纳米电介质均匀锚定于纤维表面，显著增强材料的介电响应与电荷存储能力。最终，通过系统调控静电纺丝工艺参数，成功构建出具有仿生特征的梯度双层结构，其大孔层与微孔层间的孔径分布跨越一个数量级，为材料同时实现高效过滤、湿气管理与传感功能奠定了坚实的结构基础。

电荷限制效应强化自供能实时呼吸监测

  在实现梯度孔道结构调控的基础上，研究进一步利用界面取向因子诱导的分子偶极有序排列，协同纳米电介质引发的界面极化效应，实现了电荷限制放大效应。该设计使纤维膜的介电常数显著提升，并在呼吸气流驱动下实现了表面电位数量级的突破性增长。基于这一增强的介电与摩擦电响应，该膜可将呼吸引起的微幅振动直接转化为高信噪比的电信号，从而准确识别并无线传输正常呼吸、深呼吸及咳嗽等多种生理状态，为无源健康监测提供了可靠的技术路径。

仿生结构赋能高效低阻过滤性能

  得益于仿生多梯度结构设计，该纤维膜实现了多机制协同过滤，在32 L/min流速下对PM_0.3的过滤效率高达96.26%，同时保持40 Pa的超低气流阻力，其综合性能（品质因子0.082 Pa?1）优于多数商用滤材。值得注意的是，随流速增加，其过滤效率提升更为显著，这归因于呼吸驱动下的持续电荷再生能力优化了电荷分布，强化了对超细颗粒的静电吸附。与此同时，该策略几乎未增加气流阻力，在85 L/min高流速下压降仍低于147 Pa，在长期测试中过滤效率稳定在98%以上，展现出其在高效低阻呼吸防护领域的突出潜力。

润湿性/孔径双重梯度实现反重力定向导湿

  针对传统防护材料中湿气易积聚、冷凝导致呼吸阻力上升的难题，研究团队通过构建疏水至亲水的润湿性梯度，并协同匹配从大孔到微孔的孔径梯度，在材料内部形成了稳定的定向拉普拉斯压力差。实验验证表明，该结构能够驱使接触疏水侧的水滴迅速向亲水侧泵送并扩散，同时有效抑制水分反向渗透。基于这一单向导湿机制，材料实现了优异的水蒸气透过性能，保障高湿环境下呼出湿气的高效导出，从而避免孔道因冷凝液堵塞而引起的呼吸阻力增加。

高湿环境下长效防护舒适性提升机制

  基于国家标准测试，该纤维膜在润湿时间、液态水扩散速度等关键舒适性指标上均达优异评级。实际应用测试表明，材料可迅速将皮肤表面汗液吸附并定向排至外层，有效维持接触面干爽。最关键的是，在40%–90%宽湿度范围内，其呼吸阻力保持稳定，PM_2.5过滤效率始终高于98%，显著克服了传统过滤材料在高湿环境中阻力上升、效率下降的共性瓶颈，展现出持续可靠的高舒适防护性能。

小结

  本研究通过仿生多梯度策略，成功构筑了一类兼具高效防护、智能湿气管理与自供电监测功能的聚乳酸纤维膜。该材料模仿硅藻壳的多级孔结构与表面特性，实现了从疏水到亲水的润湿性渐变及电荷限制增强，从而在过滤效率（PM_0.3 96.26%）、呼吸阻力（40 Pa）与水蒸气透过率（223.5 g·m^-2·h^-1）等关键指标上取得优异平衡。其梯度孔道与润湿性设计有效引导湿气单向排出，克服高湿环境下传统材料性能衰减的瓶颈，同时呼吸驱动的电荷再生机制支持了对多种呼吸模式的无源监测。作为全生物可降解材料，该研究为发展下一代舒适、智能、环保的呼吸防护装备提供了可行的技术范式，展现出在公共卫生、职业健康及个人防护领域的应用潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202524202

作者介绍

李欣雨：中国矿业大学2023级博士研究生，主要研究生物可降解纤维性能调控及其在个体防护领域研究。相关成果已在《Advanced Functional Material》、《Journal of Hazardous Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces》、《煤炭学报》等国内外高水平期刊发表，并多次获得校级一等学业奖学金。

何新建：中国矿业大学职业健康研究院院长，江苏省粉尘治理与职业防护工程研究中心主任，应急管理部有限空间事故调查指导专家组专家，国家“万人计划”青年拔尖人才、江苏省特聘教授、国家重点研发计划首席科学家，美国注册安全专家（CSP），美国注册工业卫生专家（CIH）。长期从事职业安全健康的科学研究与教学工作，主要研究领域包括气溶胶科学、个体防护技术、职业危害暴露控制等。形成了以全身型高效防护装备、应急救援降温服为代表的多项科研成果，发表高水平学术论文近100篇，三次获得美国工业卫生协会个体防护研究约翰-怀特（John M. White Award）学术奖。先后担任美国职业卫生学会呼吸防护委员会主席、美国NIOSH特聘客座研究员、国际呼吸防护期刊JISRP副主编等。

徐欢：先后毕业于南昌大学、四川大学、瑞典皇家理工学院，获双博士学位，长期从事高分子材料形态与性能调控的理论基础和加工方法研究，围绕高分子形态控制机理、特殊结构成型方法与多学科交叉应用开展系列工作，已发表研究论文100余篇，授权发明专利20余件，入选2025全球前2%顶尖科学家榜单。研究获得国家自然科学基金青年和面上项目，国家重点研发计划，江苏省基础研究计划重点项目，国家能源集团十大科技攻关项目等资助支持。获2021年贵州省自然科学奖三等奖，2022年首届全国博士后揭榜领题金奖，2023年第二届全国博士后创新创业大赛金奖，2025年第三届全国博士后创新创业大赛铜奖，2025年第十九届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江苏省二等奖、全国二等奖等科研奖励。