《Environmental Research》：Helical carbon nanotube membranes for efficient purification of ultrafine oily aerosols in moxa smoke and respiratory protection
编辑推荐：
邵万琦|袁凯|王忠义|杨静婷|赵秋月|高轩宇|冯莎莎|钟昭翔|邢伟宏|刘兰英江苏省中医药大学附属医院，南京中医药医院，中国南京210029摘要艾灸是一种中医疗法，通过燃烧艾条产生的烟雾中的有效成分进行治疗。然而，其中伴随的细小油性气溶胶可能会引起呼吸道刺激，限制了其更广泛的应用。
邵万琦|袁凯|王忠义|杨静婷|赵秋月|高轩宇|冯莎莎|钟昭翔|邢伟宏|刘兰英
江苏省中医药大学附属医院，南京中医药医院，中国南京210029
摘要
艾灸是一种中医疗法，通过燃烧艾条产生的烟雾中的有效成分进行治疗。然而，其中伴随的细小油性气溶胶可能会引起呼吸道刺激，限制了其更广泛的应用。本文开发了一种螺旋碳纳米管膜（HCNTM），利用形态控制策略来净化艾灸烟雾并保护职业健康。HCNTM对直径为100、200、300和1000纳米的油性气溶胶的过滤效率稳定在99.9%以上。此外，这种HCNTM可以通过乙醇浸泡和燃烧在10秒内再生，并完全恢复其性能。与传统直纤维膜不同，HCNTM通过表面张力和纤维曲率的协同作用优化了拦截过程，实现了365帕的低过滤阻力和超过99%的总艾灸烟雾气溶胶过滤效率。使用过敏性鼻炎模型的动物研究表明，暴露在HCNTM净化过的空气中显著缓解了艾灸烟雾加重的过敏性鼻炎症状和气道炎症。这项工作展示了一种基于形态设计的高性能、可再生膜，为艾灸实践中的呼吸健康保护提供了一种可持续的材料解决方案。
引言
作为中医的核心组成部分，艾灸被广泛认为是预防和治疗多种健康问题的有效方法[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。耳穴艾灸[6]、[7]是一种专门的形式，它将含有功能性生物活性成分的加热烟雾引入耳道以产生治疗效果。这种烟雾刺激耳部穴位，促进血液循环[8]，并有效缓解耳鸣[9]等耳部健康问题以及关节炎和失眠[10]等慢性疾病的症状。随着公众对自然疗法的偏好增加，对艾灸等安全高质量中医疗法的需求也显著增长[11]。
然而，艾灸的燃烧过程会自然产生细小油性气溶胶。这些气溶胶由数百种化学物质形成的焦油雾组成[12]，中位直径约为300纳米[13]。在典型的15-30分钟治疗期间，这些气溶胶可能在封闭空间内积聚，尤其是在相对密闭的环境中浓度会很高[14]。尽管艾灸烟雾中含有治疗成分，但共存的细小油性气溶胶也引发了关于呼吸道暴露的担忧。先前的研究表明，反复或长时间暴露可能会加重过敏性鼻炎、咳嗽和气道炎症等状况[15]。对于从业者和患者来说，这种担忧在重复暴露的情况下尤为严重[12]、[16]。因此，迫切需要平衡艾灸的治疗效果与有效减少其有害气溶胶副产品的需求。
为了解决这个问题，已经开发了几种净化技术，如湿法静电除尘器（WESP）、PTFE膜和碳纤维空气过滤器（CFAF）来处理艾灸烟雾[17]。然而，这些方法各有缺点，包括对纳米级气溶胶的净化效果不佳、机械强度低以及不可再生。标准呼吸器和口罩可以为从业者和患者提供基本的个人防护，从而减少有害气溶胶的直接吸入。尽管如此，源控制和局部净化策略——在气溶胶产生的地方捕获和去除它们——可以进一步降低治疗室的整体环境暴露，并补充现有的保护措施。实际上，已经有多种配备内置净化装置的智能艾灸设备上市。因此，开发与这些净化装置兼容的高性能过滤材料对于环境保护和职业健康都具有重要意义。
纳米纤维过滤材料[18]、[19]、[20]、[21]、[22]因其高孔隙率、卓越的过滤效率和低气流阻力[23]、[24]而被广泛用于空气中的颗粒物分离。其中，通过化学气相沉积（CVD）制备的碳纳米管因其极小的直径（通常为2-100纳米）和高的热稳定性[25]而特别值得注意。这些纳米管的直径（2-100纳米）与空气的平均自由路径（约69纳米）相似[26]，有效降低了气流的粘性阻力。此外，它们在高达400℃的温度下仍能保持结构稳定性，适用于高温过滤应用[27]。最近的研究表明，螺旋结构纤维的性能优于直纤维。例如，胡等人制备了具有光敏存储、可充电抗菌和抗病毒特性的螺旋纳米纤维复合膜[28]。张等人报告说，三维螺旋层次纳米纤维在其表面捕获的颗粒比相同直径的直纤维更多[29]。因此，螺旋碳纳米管（HCNTs）被认为是高效过滤艾灸烟雾气溶胶的有希望的候选材料。
在这项工作中，我们专注于与常规治疗实践相关的典型艾灸暴露场景下的艾灸烟雾净化问题，而不是所有烟雾防护情况。HCNTM是通过流动诱导的CVD制备的，用于有效分离艾灸烟雾中的细小油性气溶胶。该膜具有三维互锁结构，由高纯度的HCNTs组成，具有均匀的螺旋形态，这增强了其机械强度并提高了对细小气溶胶的捕获效率。此外，HCNTs表现出优异的热稳定性和良好的润湿性，使得HCNTM通过简单的乙醇浸泡和燃烧再生过程能够恢复初始的气流流量和过滤效率。最后，动物实验表明，在HCNTM的保护下，艾灸烟雾加剧的过敏性鼻炎症状得到了缓解。这项工作为开发具有特殊微观结构的高性能空气净化膜以及智能艾灸设备的净化单元设计提供了可行的策略和理论指导。
节选
材料
不锈钢网片（SSMs；φ30毫米，20目，安平家泽金属丝网 products Co., Ltd. 中国）被用作通过CVD生长HCNTs的基底。乙醇（C?H?OH；纯度≥99.7%，西龙科技有限公司，中国）和二茂铁（Fe(C?H?)?；纯度≥99%，麦克林生化有限公司，中国）分别作为HCNTs的碳前体和催化剂。作为对比，九水合硝酸铁（Fe(NO?)?·9H?O，纯度≥99.9%）和氯化铁（FeCl?，纯度≥99%）也被使用
催化剂和碳前体对HCNTs的影响
通过CVD制备的碳材料的形态和结构在很大程度上取决于催化剂。图3展示了使用三种不同催化剂合成的纤维的比较分析。使用Fe(NO?)?·9H?O获得的产品由粗大的卷曲纤维组成。相比之下，FeCl?产生的碳材料主要呈现多面体形态（图3(b)）。而Fe(C?H?)?主要产生均匀的HCNTs（图3(c)）。XRD图谱（图3(d)）进一步证实了这一点
结论
通过以二茂铁和乙醇为最佳催化剂和碳前体的流动诱导CVD成功制备了新型螺旋碳纳米管膜。独特的螺旋结构促进了捕获的焦油滴的扩散，增强了管壁对焦油的粘附并减少了孔隙堵塞。因此，具有226 m3·m?1·h?1·kPa?1的气体渗透率和1微米孔径的HCNTM在分离气溶胶时表现出理想的净化性能和低操作压降
CRediT作者贡献声明
杨静婷：研究。王忠义：写作——初稿，研究。袁凯：写作——初稿，研究。邵万琦：写作——初稿，研究。钟昭翔：写作——审阅与编辑，监督，概念化。冯莎莎：写作——审阅与编辑。高轩宇：研究。赵秋月：研究。刘兰英：写作——审阅与编辑，监督，概念化。邢伟宏：写作——审阅与编辑，概念化
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
财政支持来自中国国家自然科学基金（82274632和22325804）、国家中医药优势特色建设项目（2025YL02011）、江苏省中医药管理局（SLJ0309）、中国博士后科学基金会（2025M781096）以及江苏省未来膜技术创新中心（BM2021804）。
