CN103657256A

CN103657256A - 一种过滤pm2.5颗粒的鼻腔滤膜

Info

Publication number: CN103657256A
Application number: CN201210360950.6A
Authority: CN
Inventors: 步世忠; 邱勇智; 施长城
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明公布了一种用纳米微米纤维以及相关生物材料制作的过滤PM2.5颗粒的鼻腔滤膜，可有效减少PM2.5微粒对人体健康的危害。该滤膜由直径为30～500纳米的纤维构成，其厚度范围为500至1000纳米，并根据过滤功能与呼吸舒适的关系，对于沉积密度进行了最优化选择。构成该滤膜中纳米微米丝的成份包括壳聚糖，聚丙烯酸，共聚聚丙烯腈丙烯酸，聚磺酸苯乙烯，共聚苯乙烯甲基丙烯酸，共聚苯乙烯磺酸苯乙烯，丝素和羊毛角蛋白等。多种成份的优化组合可较好地过滤空气中所富含的重金属粒子以及有效地过滤和杀死PM2.5微粒中的细菌。此外，具有贴敷性生物材料可以便于将滤膜舒适地佩戴于人体鼻孔处，并具有稳定性；同时具备隐蔽性，不影响面容美观与语言交流。

Description

一种过滤PM2.5颗粒的鼻腔滤膜

技术领域

本发明专利涉及一种运用纳米微米纤维以及相关生物材料制作而成的鼻腔防尘滤膜，可有效减少PM2.5微粒对人体呼吸道系统健康的危害，属于生物材料与卫生保健的结合领域。

背景技术

PM2.5是一种可入肺颗粒物，又称细颗粒物，它的直径小于2.5微米，它是可吸入颗粒物(PM10)里的“大户”，约占比例80％。当空气中含有大量PM2.5时，会造成能见度变低，天空出现灰霾的现象。有资料称，中国已经成为世界上大气污染最严重的国家之一。在中国环境科学院的研究报告中也指出，京津冀、长三江、珠三角等地的城市，可入肺颗粒物污染日益严重。研究表明，如果出现灰霾严重的1年，那么7-8年后就会成为肺癌的高发期。

PM2.5有体积小、重量轻、在空气中不易沉淀、存留时间长、飘浮距离远的特点，更糟糕的是，PM2.5会吸附各种各样的毒性化学物质，它是各种有毒物质极好的载体，如硫酸盐、重金属以及各种细菌病毒，这些有害物质进入人体呼吸道后，使人体呼吸系统的防御功能降低，造成呼吸不畅、胸闷、干咳、咽干、咽痒等不适，长期吸入易致鼻炎、咽喉炎、支气管炎等症，也容易使哮喘、慢性支气管炎、慢阻肺等慢性病发作。从这个角度讲，肺是人类器官中最容易脏的一个器官。PM2.5比PM10含有更多的重金属和多环芳烃——一种致癌物。如果有致癌物质附着其中，进入人体会增加致癌风险。75％的PM2.5会随呼吸直接进入支气管，然后沉积在肺泡上，甚至会通过气血交换，进入人体血液。细颗粒物吸附在肺泡上很难脱落，携带空气中的病毒、细菌、放射性尘埃和重金属等物质，影响呼吸系统、肺部疾病、心血管、免疫系统、生育能力、神经系统和遗传等。随着市民吸烟率的下降，肺癌的发病率却在上升。这说明灰霾将取代吸烟，成为导致肺癌的“元凶”

根据德国癌症协会提供的数据，全球每年死于癌症的600万人中就有100万是死于肺癌，肺癌已成为癌症里的“第一杀手”，这在我国也得到了验证。目前我国每年死于肺癌的患者高达60万，到2025年，这个数字将达到100万。PM2.5对老人和儿童影响最大。美国历时8年完成的一项研究发现，交通污染产生的细颗粒物会阻碍儿童肺功能的发育。灰霾，对于体质较弱的老人来说，则意味着死亡。另外，我国在出现重度污染出现后的第6天呼吸系统疾病死亡率达到最高，而心血管系统疾病死亡则是滞后2天。加拿大和美国科学家在对50万人，追踪了长达16年后发现，长期暴露于PM2.5之下，会增加肺癌的发病率，PM2.5的浓度每增加10微克/立方米，肺癌死亡率增加8％。研究人员猜测，一方面PM2.5作为载体将有毒物带入下呼吸道，直接或间接地引起支气管黏膜及肺上皮细胞突变，另一方面是其颗粒性引起的免疫反应，增加人群对肺癌的易感性。

正常人的呼吸道，都有自我屏障和保护功能，就拿鼻腔来说，其中的鼻毛摆动，就能减少一些有害物质进入呼吸道深处，而尽早将其排出。在正常情况下，一些有害颗粒可以通过呼吸道纤毛+黏液运动排送至咽喉部，以痰液的形式排出体外或进入消化系统。然而，这些屏障在PM2.5面前却显得有些无力。因为它的颗粒实在太过细小了。一般来说，直径5微米的颗粒就可以在呼吸道里畅通无阻，一直进入下呼吸道深处，而PM2.5的直径却在2.5微米以下。这使得呼吸道在PM2.5面前几乎不设防，让它能够轻而易举侵入到呼吸道下端。当PM2.5深入呼吸道下端，就要进入肺部组织了。在正常情况下，呼吸道黏膜本身也有屏障作用，可这些在PM2.5的细小身材面前也显得有些无力，PM2.5就可以直接抵达肺泡了。当然，在肺泡里还是有一些防御措施的，比如巨噬细胞。这种细胞可以吞噬入侵人体的异物，将其清除，从而起到保护作用。可是，由于PM2.5没有受到什么阻碍就能入侵肺泡，当它们大量出现时，吞噬细胞就有些力不从心了。特别是进入多了以后，在吞噬过程中，吞噬细胞也会发生变化、产生反应，逐渐无法有效起到清除效果。

所以，这些细微颗粒被肺泡巨噬细胞吞噬后穿过肺泡壁，其中一部分进入淋巴系统，然后由淋巴液带到淋巴结，最后被清除掉；而另一部分可能长期储留在肺组织中，在肺间质形成病灶，引起各类肺部疾病。当PM2.5微粒进入肺泡后，引起肺部损害还只是一方面，更令人担忧的是，它们可能借此影响全身。这是因为入侵肺泡后，它就能以肺泡为平台，进入到血液循环系统之中。而随着前两步防御逐渐无效，这样的入侵也越来越轻松。旦成功入侵循环系统，它们可以以血液循环为平台，畅通无阻去往人体的各个器官，从而影响到多脏器、多系统的健康状况，带来更多的危害。

这些微粒中的有害成分一旦入侵人体，可以带来诸多健康损害。首当其中的当然是呼吸系统，除了哮喘、气管炎症外，还可能刺激肺部释放各种细胞因子，引起炎症和肺纤维化；它可能与细胞作用后，释放有害物质，导致细胞增生甚至恶变；PM2.5的化学组分甚至可能损害遗传物质，导致癌基因激活，抑癌基因失活，遗传物质突变，最终诱发肺癌。除了呼吸系统相关疾病外，这些颗粒还可能引起循环系统的炎症反应，损伤血管内皮，促进动脉粥样硬化斑块形成；诱发自主神经功能失常，导致系统炎症刺激；诱发心肌缺血反应和相关功能改变，导致心功能障碍。因此，有效地帮助人体阻挡PM2.5微粒进入呼吸道成为一个亟待解决的问题。

现行的口罩相关产品虽在一定程度上能防止空气污染微粒进入人体呼吸道，但其阻挡PM2.5微粒的性能确不够理想。此外，口罩产品还存在以下不足：(1)影响佩戴者的正常呼吸；(2)妨碍佩戴者之间的正常语言交流；(3)若多数城市人口均佩戴口罩，将会给城市形象带来不利影响。综上所述，发展隐形，舒适的呼吸用空气过滤装置成为本发明专利的技术目标。

据研究调查，自上世纪90年代初期迄今，已有三十余项中国发明专利和实用新型力图发展鼻腔空气过滤装置，其中具有代表性的几项包括：中国申请号92243951.6的实用新型，中国公告号CN 2411807Y的实用新型，中国公告号CN 100560164C的发明专利，中国公告号CN 2928138Y的实用新型，中国公告号CN 1953778B的发明专利以及中国公布号CN 101690843A的发明专利。现有的相关发明专利与实用新型均基于支架与连接器的设计理念，制作各种形状的支架，将其置于人体鼻腔中，并同时在支架中镶嵌空气过滤材料，达到过滤空气污染中微粒的目的。此类设计存在以下弊端：(1)人体鼻腔中的鼻纤毛本身具有过滤空气中微粒的作用，但由于基于支架的空气过滤器置入鼻腔，在空间位置上完全取代了鼻纤毛，使之无法发挥过滤作用，也就是人体呼吸道失去了这道与生俱有的屏障；(2)由于支架的置入，使佩戴者始终感觉鼻腔中有硬物的存在，由此导致此类过滤器的舒适性降低；(3)较复杂的支架设计会增加制作与生产成本，不利于该设计的商业化。

本发明专利采用先进的纳米微米纤维技术制成轻薄的空气过滤膜。该薄膜能够有效地阻挡PM2.5微粒进入人体呼吸道，同时不妨碍人体正常呼吸和语言交流，并且对人体皮肤无毒无害，更具有隐形美观，佩戴方便和造价低廉等优点。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题是提供一种用于空气过滤的薄膜，该薄膜能够有效阻挡大气污染中存在的PM2.5微粒；与此同时，该薄膜具有良好的透气性，如用做鼻腔滤膜不影响人体的正常呼吸；

本发明与利要解决的另一技术问题是鼻腔滤膜可以方便舒适地佩戴于人体鼻孔处，并具有稳定性，不易脱落；同时具有隐蔽性，不影响面容美观。

本发明专利要解决的再一技术问题是运用纳米微米双层过滤技术，增加对PM2.5微粒的阻挡与吸附表面积，以达到更加有效防尘过滤的目的。

本发明专利中的纳米微米双层过滤膜是通过用电抽丝的技术将不同化学成分的纳米丝沉积在微米结构的网膜上形成的，这种纳米微米双层过滤膜可以更有效的过滤掉空气中存在的PM2.5微粒。电抽丝的工艺图如图2所示。

根据人体呼吸空气过滤膜(或口罩)的国际标准，膜外和膜内的压力差不能大于5mmH₂O/cm²，否则会造成呼吸不顺畅。本发明专利中的纳米微米双层过滤膜充分考虑电抽丝的纳米丝的尺寸，沉积密度和沉积厚度可能对压力差造成的影响，同时在有效过滤空气中存在的PM2.5微粒的要求下，优化调节了纳米丝的尺寸，沉积密度和沉积厚度。

根据本发明专利中合理的理论分析和实验验证，为了有效的拦截呼吸空气中的PM2.5微粒和不加大过滤后的压力差，纳米丝的尺寸，沉积密度和沉积厚度必须满足一定的要求，理论分析和参数结果如图3所示。

本发明专利充分考虑了PM2.5微粒的可能化学成分，通过更好的选择纳米丝的化学结构，从而达到更好的过滤效果。

根据调查研究报道，PM2.5微粒的成分包括大量有机，无机碳化合物颗粒，硝酸盐和硫酸盐颗粒，铵盐颗粒，以及其他一些金属及其化合物颗粒。本发明专利中使用可以有效地吸附这些颗粒的纳米丝。

本发明专利中的纳米丝材料含有壳聚糖(chitosan)，它们是一种天然的聚多糖，可以有效地吸附空气成分中的有机碳化合物颗粒，带负电荷的硝酸盐和硫酸盐颗粒，以及其他一些金属及其化合物颗粒。

本发明专利中的壳聚糖电抽丝可以将壳聚糖和水溶性，生物相容材料聚乙二醇(PEO)的混合溶液挤压并在高电压下形成，电抽丝的尺寸大小可以通过壳聚糖和聚乙二醇的浓度和溶液的挤压速度控制，而沉积密度和沉积厚度可以通过电抽丝的沉积时间来控制。

PM2.5微粒的成分是随着地域的不同，环境的不同而变化的。本发明专利中通过调节纳米丝的化学成分来达到对不同PM2.5微粒的过滤效果。比如，带负电的纳米丝[聚丙烯酸(poly acrylic acid)，共聚聚丙烯腈丙烯酸(poly-acrylonitrile-co-acrylic acid)，聚磺酸苯乙烯(Poly-sodium-p-styrenesulfonate)，共聚苯乙烯甲基丙烯酸(poly-styrene-co-methacrylic acid)，共聚苯乙烯磺酸苯乙烯(poly-styrene-co-p-styrene sulfonate)等]可以比较好地过滤空气中铵盐微米颗粒，而对于富含重金属粒子的空气，由丝素/羊角蛋白(silk fibroin/wool keratose)组成的纳米丝可以有效地过滤掉空气中的重金属粒子(铜，钆等)。另外，含有银盐，银纳米粒子或者是季铵基团的纳米丝可以有效地过滤和杀死PM2.5微粒中的细菌。

附图说明

图1为鼻腔防尘滤膜的俯视图，其中1为纳米纤维丝，2为微米纤维丝，3为具有贴敷性生物材料。

图2为电抽丝工艺的工程概念图

图3为过滤膜中纳米丝设计中沉积厚度与沉积密度之间的关系图。图中可见，在纳米丝直径固定的情况下，沉积厚度与沉积密度基本上成线性反比关系。

Claims

1.一种过滤PM2.5颗粒的鼻腔滤膜，其特征在于：1.所述的这种滤膜由直径为30～500纳米的纳米纤维构成。

2.过滤膜中沉积厚度范围为500至1000纳米，所对应的最优沉积密度为0.00106至0.10512。3.构成该滤膜纳米丝含有壳聚糖(chitosan)，聚丙烯酸(poly acrylic acid)，共聚聚丙烯腈丙烯酸(poly-acrylonitrile-co-acrylic acid)，聚磺酸苯乙烯(Poly-sodium-p-styrenesulfonate)，共聚苯乙烯甲基丙烯酸(poly-styrene-co-methacryl ic acid)，共聚苯乙烯磺酸苯乙烯(poly-styrene-co-p-styrene sulfonate)，丝素(silkfibroin)和羊毛角蛋白(wool keratose)。