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评估包被滤材和前置滤材对气溶胶化Phi6病毒感染性与浓度的影响

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DOI：

10.3791/70877

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2026年5月29日

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1Atmospheric Composition Research, Finnish Meteorological Institute, 2Department of Environmental Sciences, Faculty of Biological and Environmental Sciences, University of Helsinki, 3Department of Microbiology, Faculty of Agriculture and Forestry, University of Helsinki, 4Department of Otorhinolaryngology and Phoniatrics-Head and Neck Surgery, Helsinki University Hospital

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本研究旨在评估基于铜和银的表面涂层在空气过滤器上的抗病毒功效。通过使用生物气溶胶舱和Phi6噬菌体，该方法可定量分析自消毒室内空气技术的病毒灭活效果和机械过滤效率。

摘要

在2019冠状病毒病（COVID-19）大流行之后，高效室内空气过滤技术的开发日益受到重视。本研究旨在利用标准化的生物气溶胶舱和包膜噬菌体Phi6作为呼吸道病毒的替代物，评估多种基于铜和银的空气过滤器表面涂层的抗病毒功效。表面测试证实，所有涂层均表现出抗病毒活性，其中特定的铜基涂层配方（B4）可在10分钟内完全灭活Phi6病毒，A6在25分钟内，VS-B在60分钟内；感染性的早期下降主要归因于液滴干燥。气溶胶实验显示，即使未涂覆涂层，高效微粒空气（HEPA）过滤器和预过滤器也能显著降低病毒感染性，机械过滤可实现1.0–2.0 log的减少，而高效级GF-2玻璃纤维过滤器则可消除可检测到的感染性病毒。涂层并未显著提高过滤效率，可能是由于病毒与涂层表面接触有限所致。使用过的GF-2过滤器表现出更优的病毒去除效果，归因于颗粒积聚和过滤器致密化，而涂层并未改变穿过过滤器的病毒拷贝数。VS-B涂层过滤器表现出亲脂性特征，提示其具有额外的功能优势。该方法表明，尽管过滤效率主要由机械截留和颗粒积聚驱动，但集成的表面涂层可通过灭活被截留的病毒颗粒提供自消毒机制；建议将紫外（UV）光的整合作为未来潜在的研究方向，以进一步提高系统的整体效能。

引言

在新冠疫情期间，人们对空气传播病毒的理解有了显著进展。鉴于室内环境的传播风险明显高于室外环境，迫切需要开发更有效的防护策略1,2。在此背景下，高性能的空调系统和空气净化系统是减少封闭空间内病毒传播的关键组成部分。

空气过滤是空气净化系统中最常用的方法之一，依赖于过滤材料固有的物理过滤特性和多层过滤结构3,4,5。该方法通常包括：初效过滤器，即一种捕获大颗粒物的粗效过滤器；中效过滤器，例如活性炭过滤器；以及高效微粒空气（HEPA）过滤器，可去除至少99.97%粒径为0.3 µm的最易穿透颗粒物6,7。过滤器的物理特性具有多种抗菌优势。已有研究表明，多孔材料可通过截留并干燥病毒使其失活8,9,10。材料的疏水性或亲水性也可相应加以利用：具有疏水性包膜的病毒倾向于吸附在疏水性表面，而亲水性表面则吸引亲水性病毒11,12。此外，还可使用抗病毒表面涂层以进一步增强净化效果。滤网涂层的目的是在病原体接触滤网的瞬间将其灭活13,14。这些特性可提高操作安全性，尤其在医院环境中，以及在流行病和大流行期间的公共场所中尤为重要14。

在实际应用中，滤膜涂层的灭活效果必须足够迅速，以便在气流通过过程中发挥作用。因此，涂层与病毒颗粒之间直接接触的表面积应足够大，并且涂层必须能够在给定的接触时间内灭活病毒。重金属如铜和银已知具有抗病毒作用15,16,17。这种抗病毒效应已在多种病毒中被观察到，包括脊髓灰质炎病毒、痘苗病毒、单纯疱疹病毒1型、Phi6病毒、乳头瘤病毒SV-40、腺病毒、水疱性口炎病毒、SARS冠状病毒、杆状病毒以及猫传染性腹膜炎病毒18,19,20,21,22。其作用机制包括铜离子和银离子的释放以及活性氧（ROS）的产生，这些物质可与病毒蛋白发生反应并氧化核酸23,24,25,26,27,28,29,30。

本研究基于Sofieva等人（2022年）先前提出的腔室设计，开发了一种可调节气溶胶和病毒采样特性的气溶胶过滤测试腔室（见图1和补充图1）31。改进后的腔室设计为封闭系统，用于使致病性呼吸道病毒的模型病毒与过滤材料接触，从而评估涂层与未涂层过滤材料的抗病毒效率。选择有包膜的噬菌体Phi6作为呼吸道病毒的替代物，因其是病毒气溶胶研究中经过充分研究且广泛应用的模型。由于Phi6对人类无致病性，被归类为生物安全等级1级（BSL-1），因此可在符合机构安全指南的生物安全等级2级（BSL-2）实验室环境中安全、便捷地评估抗病毒涂层性能。此外，Phi6在结构上与引起呼吸道疾病的包膜病毒（如严重急性呼吸综合征冠状病毒1型和2型，SARS-CoV-1和SARS-CoV-2）具有相似性。其脂质包膜还表现出对干燥和化学灭活的特定敏感性，使其成为评估抗菌表面涂层和过滤系统对包膜病原体效能的代表性模型32,33,34,35,36,37,38,39。

本研究的目的是首先通过Phi6噬菌体进行表面测试，分析含铜和银的选定滤材涂层在用于空气过滤前的抗病毒功效。随后，在空气预过滤器上评估这些基于铜和银的表面处理材料，以检验其增强对空气中病毒过滤和灭活能力的效果。

方案

病毒、菌株、培养基及感染性病毒计数
噬菌体Phi6最初由Anne K. Vidaver博士提供给研究小组40，使用Pseudomonas syringae pv. phaseolicola HB10Y作为宿主细菌进行扩增。宿主菌在Luria–Bertani（LB）培养基中于22 °C下培养。Phi6的琼脂保存株由冷冻材料通过连续稀释制备，方法依据Bamford等（1995）41的实验方案，用于表面存活率检测和病毒纯化。

Phi6 的纯化与浓缩操作按照 Bamford 等人（1995）建立的方案进行41。将所得悬液用含有 1 mM 氯化镁（MgCl₂）的 20 mM 磷酸钾（K₃PO₄）缓冲液稀释，调节 pH 至 7.2，最终滴度为每毫升 5 × 1010–1011 个空斑形成单位（PFU/mL）。该制备好的悬液随后用于气溶胶生成实验。

采用标准的双层琼脂覆盖空斑实验对具有感染性的病毒颗粒进行计数，该方法针对噬菌体Phi6进行了优化42。简言之，首先在LB培养基中对每种病毒样本或对照样本进行系列稀释，然后向每种稀释液100 µL中加入200 µL宿主细菌悬液和3 mL软琼脂。将软琼脂混合物覆盖于LB琼脂平板上，平板在22 °C下过夜培养。随后计数空斑，并按以下公式计算每毫升噬菌斑形成单位（PFU/mL）的数量：（空斑数 × 稀释倍数）/ 接种体积。

qRT-PCR 分析
定量反转录实时聚合酶链式反应（qRT-PCR）的样品制备遵循 Gregorova 等（2022）43 的实验方案。使用每 5 µL 含 102 至 109 个分子的 10 倍系列稀释液生成 P2 和 P8 RNA 的标准曲线。每个稀释样本均与实验样本进行相同处理，包括加入氯仿、涡旋振荡、在 22 °C 下以 10000 × g 离心 1 分钟，以及扩增循环（循环和引物信息见补充表 1和补充表 2）。阴性对照通过以 5 µL 超纯水替代 RNA 模板制备。qRT-PCR 数据使用专用设计与分析软件进行分析（见材料表）。

气溶胶室装置设置
参考先前描述的系统31，开发了一种定制的、可高压灭菌的气溶胶室，用于病毒气溶胶化和滤材测试。实验用气溶胶室由圆柱形玻璃主体、匹配的盖子、内部金属支架以及确保气密密封的绝缘垫圈组成（参见材料表和补充图1）。

整体研究设置（包括腔室）如图1所示。为确保病毒气溶胶输入的稳定性和可重复性，采用雾化器与空气泵联用（见材料表）。

在腔室内，雾化器产生8 L/min的气溶胶气流。其中约四分之三的气流通过HEPA过滤器排入排气系统，其余四分之一（2 L/min）进入腔室。这种分流设计旨在延长测量过程中降低湿度。气溶胶通过一个金属漏斗引入腔室，该漏斗将气流导向滤膜或前置滤膜表面。

气溶胶实验在生物安全柜内进行。气流经过腔室后，进入干燥器进行除湿，以保护高效过滤器和流量计免受过多湿气影响。外部泵进一步辅助气流，使系统内产生负压，确保气体通过出口高效排出。

HEPA过滤示意图，病毒气溶胶装置；雾化器、泵、流量计；空气净化研究。
图1： 实验气溶胶室及样品采集示意图。 请点击此处查看此图的放大版本。

研究设计
本研究评估了表1、补充表3和补充表4中所列的涂层以及滤材/预过滤材料的抗病毒性能（另见材料表）。研究分为两个阶段进行：表面测试和气溶胶室中的预过滤材料测试。

在表面测试中，所有涂层材料首先在平板测试样品上进行评估，以确定其抗病毒活性。涂覆的测试样品由Clean Touch Medical LTD提供（表1和材料表）。所有涂层均基于将铜和/或银活性成分嵌入专有基质中；不同配方之间的差异主要涉及金属成分、浓度以及与表面的相容性（例如，平面表面与多孔滤膜）（补充表3）。

气溶胶室中的预过滤器测试：在可选的涂层中，研究期间仅能将基于铜和银的VS-B涂层应用于预过滤器。因此，使用VS-B处理的预过滤器在气溶胶室中进行了检测，以评估其在气溶胶暴露条件下的抗病毒性能。研究中使用的所有过滤器和预过滤器的照片见补充图2。

抗病毒效果通过两种互补的方法进行定量：噬斑实验用于测定感染性病毒颗粒的数量（参见“病毒、菌株、培养基和感染性病毒计数”部分），以及定量PCR（qPCR）用于测定病毒基因组拷贝数（参见“qRT-PCR分析”部分）。

过滤器和预过滤器滤材提供方涂层
（所有涂层均由 Clean Touch Medical 提供）
聚酯预过滤器 FMR-5，未涂层（FMR-5）M-filter LTD实验性铜基表面处理剂 A6（A6）
实验性铜基表面处理剂 B4（B4）
含铜和银的表面处理剂 Viral Safe（VS）
含铜和银的表面处理剂 Viral Safe B（VS B）
聚酯预过滤器 FMR-5，涂有 VS B（FMR-5 VS B）
聚酯预过滤器 S-11，未涂层（S-11）
聚酯预过滤器 S-11，涂有 VS B（S-11 VS B）
双层玻璃纤维滤膜 GF-2，未涂层（HEPA 型滤膜）（GF-2）
Bulpren 预过滤器 BP-6，6 mm，未涂层（BP-6）Clean Touch Medical LTD
Bulpren 预过滤器 BP-6，6 mm，涂有 VS B（BP-6 VS B）

表1：本研究中使用的滤光片和表面涂层。

抗病毒表面涂层的效率
开发了一种表面存活性检测方法，用于评估不同涂层材料上病毒传染性的持续时间。简言之，将20 µL的Phi6储备液（参见“病毒、菌株、培养基及感染性病毒计数”部分）滴加到涂覆的测试样品表面，并使用无菌玻璃涂布棒均匀涂布于2 cm × 2 cm的区域。样品在生物安全柜中22 °C条件下孵育1分钟、5分钟、1小时或3小时。

通过向表面加入180 µL新鲜LB肉汤，并反复吹打洗脱，回收病毒。以塑料培养皿作为对照表面。所有实验均在22 °C下进行。采用空斑实验对具有感染性的病毒颗粒数量进行定量41。

抗病毒涂层 VS-B 对滤膜/预滤膜过滤效率的影响
病毒采集和滤膜效率检测采用撞击法，使用含有 20 mM HEPES 缓冲液（pH 7.2）的培养皿，或使用全玻璃旋流撞击采样器（下文简称“撞击采样器”；见材料表）44。在撞击采样过程中，将培养皿直接置于滤膜下方，以最大化颗粒物的沉积（图 1）。在对已使用 3 个月的 GF‑2 滤膜进行实验时，采用撞击采样器替代培养皿，以提高检测灵敏度。撞击采样器是一种带有三个喷嘴的玻璃装置，需连接外部泵将空气抽入液体中。气流通过喷嘴时，在容器内壁形成旋流，使收集液产生涡旋运动，从而温和地捕获颗粒物。在此配置下，通过滤膜的气流保持在 2 L/min，当气流离开腔室后，额外的阀门将总进气量增加至 10 L/min。气溶胶被收集于 5 mL 的 20 mM HEPES 缓冲液（pH 7.2）中，每 30 分钟补充一次因蒸发损失的缓冲液。在撞击采样器实验中，移除了培养皿和用于气流均化的 bulpren 预滤膜（补充图 1 和 补充图 2B）。

详细的采样方案见表2。通过从含有20 mL 20 mM HEPES缓冲液（pH 7.2）的培养皿中回收1 mL悬浮液来收集病毒气溶胶。其中800 µL用于qRT‑PCR分析，200 µL用于病毒滴定。每个滤膜或预滤膜均进行三次重复检测，并在每次腔室实验前后进行15分钟不安装滤膜/预滤膜的对照运行。在预实验对照结束后，将待测滤膜或预滤膜插入腔室，运行3小时，随后取出滤膜/预滤膜，并进行实验后对照运行。qRT‑PCR和病毒滴定样本每30分钟采集一次，每次实验共获得八个qRT‑PCR样本和八个滴定样本。在冲击式采样器实验中，滴定样本仅在3小时运行结束时采集一次。每个qRT‑PCR样本均在液氮中快速冷冻，并在-80 °C保存以待后续使用，而病毒滴定样本则在实验结束后立即采用噬斑法进行处理。雾化器中使用的病毒溶液在每次实验前后均进行滴定，以监测其稳定性。

三种不同的预过滤器 BP-6、S-11 和 FMR-5，以及 GF-2 过滤器（表1 和 补充图2、补充表4）均涂覆了 VS-B。预过滤器由结构密度不同的合成纤维材料制成，主要用于粗颗粒物的去除和气流稳定；而 GF-2 过滤器是一种具有 HEPA 级性能的高效玻璃纤维过滤器。未涂覆涂层的预过滤器以及无过滤器的设置也在气溶胶室中进行了对比测试。

时间点设置样本
对照0-15 分钟无滤膜/预滤膜，含 20 mL HEPES 的培养皿200 μl 用于滴定，800 μL 冻存用于 qRT-PCR
实验0-30 分钟待测滤膜/预滤膜，新培养皿含 20 mL HEPES
30-60 分钟待测滤膜/预滤膜，同一培养皿含 19 mL HEPES
60-90 分钟待测滤膜/预滤膜，同一培养皿含 18 mL HEPES
90-120 分钟待测滤膜/预滤膜，同一培养皿含 17 mL HEPES
120-150 分钟待测滤膜/预滤膜，同一培养皿含 16 mL HEPES
150-180 分钟待测滤膜/预滤膜，同一培养皿含 15 mL HEPES
对照0-15 分钟无滤膜/预滤膜，新培养皿含 20 mL HEPES

表2：样本采集时间表。

抗病毒涂层VS对使用后滤材的效果
通过检测使用3个月后的HEPA型GF-2滤材对病毒的过滤效率（基于感染性病毒数量和病毒基因组拷贝数），评估了铜-银表面抗病毒剂Viral Safe（VS）涂层抗病毒效果的耐久性。实验中使用了四台空气净化器（见材料表），每台均配备HEPA滤网和活性炭层。这些滤材在收集和分析前已在两家餐厅连续运行3个月：一家为高档餐厅，另一家为工厂员工食堂（详见补充图3和补充图4）。将这些使用过的滤材性能与未使用、未涂层的洁净GF-2滤材进行比较。

在进行腔室测试之前，需在层流罩内将使用过的滤膜从空气净化器的金属框架上取下，展开并裁剪成适合气溶胶腔室的大小，以确保生物安全并尽量减少交叉污染。随后，从高档餐厅和员工食堂收集的GF‑2滤膜在“研究设计”部分所述的实验装置中进行测试，采用改良的5 mL冲击式采样器收集气溶胶。

除了抗病毒效率外，还评估了滤膜的物理表面特性。通过在裁剪好的滤膜条上施加50 µL的菜籽油液滴来评估亲脂性，而疏水性则通过施加50 µL的去离子水液滴进行测定。接触角的测量按照Xiao和Wiesner（2012）的方法进行摄影记录45。根据Lichner等（2006）所述的方法，采用水滴渗透时间（WDPT）测定来量化防水性能，所有测得值均超过7200 s46。

统计分析
使用标准化的统计软件（参见材料表）对不同测试涂层材料和滤膜之间观察到的差异显著性进行统计分析。所有实验的统计分析分为两个步骤进行：Kruskal-Wallis H 检验和 Games-Howell 事后检验。采用 Kruskal-Wallis H 检验评估是否存在显著差异，样本类型之间的具体差异则通过 Games-Howell 事后检验进行多重均值比较来确定。

通过比较1分钟和5分钟时感染性病毒浓度相对于初始浓度的下降程度，对包被效率进行了统计学分析。由于旨在将包被材料应用于滤膜，我们重点考察了在测试最初几分钟内，病毒活性相对于对照组是否存在统计学上的显著差异。

针对每个时间点（30 分钟、60 分钟、90 分钟、120 分钟、150 分钟和 180 分钟）分别进行统计分析，以确定涂层前后预过滤器在感染性计数和 qPCR 结果方面的效率差异是否具有显著性。随后，数据按预过滤器类型以及预过滤器表面是否存在涂层进行分组。类似地，通过对数据按位置及滤膜表面是否存在涂层进行分组，评估所使用的 GF-2 滤膜在病毒灭活和过滤效率方面的效果。

结果

抗病毒表面涂层的效率
表面存活率检测证实，所有测试的涂层材料均具有抗病毒特性，其中VS涂层表现出最慢的病毒灭活速率（图2A）。统计分析表明，每种涂层及对照组在1分钟和5分钟时，感染性病毒浓度相较于初始浓度均显著下降（p < 0.001，图2B，补充表5）。实验性铜基表面涂层B4实现了最快的病毒减少，在5分钟内使感染性病毒数量降低达三个数量级，15分钟后病毒已无法检测（检测限：100 PFU/mL）。其他涂层A6和VS-B分别在25分钟和60分钟内同样实现了Phi6的完全灭活（图2A）。

PFU/mL为单位的病毒浓度随时间变化的曲线图及比值标准差的柱状图。
图2： 表面涂层对病毒感染性抑制作用。（A）感染性病毒颗粒随时间减少的情况。（B）与0分钟时间点相比，感染性病毒颗粒减少的比值。涂层的具体参数列于表1和补充表3中。请点击此处查看该图的放大版本。

与对照组相比，在前5分钟内，A6涂层的病毒灭活效率最低（1分钟时p = 0.006，5分钟时p = 0.012，补充表6），其次是VS涂层（1分钟时p = 0.001，5分钟时p = 0.017，补充表6）。B4涂层在1分钟时间点的灭活效果低于对照组（p = 0.001，补充表6），但在5分钟时间点与对照组无显著差异（p > 0.05，补充表6）。在较长时间范围内，VS-B的病毒灭活效果增强，与B4和A6相似。统计分析的详细结果见补充表6。

抗病毒涂层 VS-B 对滤芯/初效滤网过滤效率的影响
实验表明，与无滤网设置相比，所研究的三种初效滤网 BP-6、S-11 和 FMR-5 均能显著降低穿透滤网的感染性病毒数量，效果相当，病毒减少幅度达 1.5–2.0 个数量级（图 3A，补充表 7）。GF-2 滤芯可将病毒载量降低至少六个数量级，在检测限内未检测到具有感染性的 Phi6 病毒噬斑（在 图 3A 中以非检出数据 (*) 表示）。

VS-B 涂层对抗感染病毒过滤效率无显著影响（图 3B）。对于预过滤器 S-11 和 FMR-5，通过涂层与未涂层预过滤器的感染性病毒数量差异在标准差（SD）范围内，表明差异不显著（补充表 8）。令人意外的是，在前 90 分钟内，未涂层的预过滤器 BP-6 表现优于涂层的 BP-6 预过滤器。然而，涂层与未涂层预过滤器之间的差异经证实无统计学意义（p > 0.05，补充表 8）。

活病毒浓度图；时间序列；PFU/mL；过滤影响；标准差。
图3： 气溶胶化Phi6病毒在撞击平板上的平均感染性病毒浓度。（A）GF-2滤膜、无滤膜装置及预过滤滤膜的情况。（B）仅预过滤滤膜的情况。误差线表示标准差（SD），滤膜类型列于表1中。VS-B表示涂层滤膜。GF-2滤膜的数据低于检测限，以虚线标示。请点击此处查看该图的放大版本。

qRT-PCR 实验结果表明，预过滤器可使通过预过滤器的病毒基因组拷贝数降低多达两个数量级，而 GF-2 过滤器与无过滤器组相比，病毒基因组拷贝数减少高达四个数量级（图 4A，补充表 9）。在前 30 分钟内，预过滤器与无过滤器组之间的差异较小；但从 60 分钟时间点开始，预过滤器表现出更高的机械过滤效率（图 4A，补充表 10）。VS-B 涂层对通过过滤器的病毒基因组拷贝数无显著影响（图 4B）。基因组拷贝数的差异均在标准偏差范围内（p > 0.05，补充表 10）。

病毒浓度时间图和柱状图；方法 S-11、BP-6、FMR-5；数据分析结果。
图 4： 撞击平板上气溶胶化Phi6病毒的平均病毒基因组拷贝数浓度。（A）GF-2滤膜、无滤膜装置及前置滤膜的情况。（B）仅前置滤膜的情况。误差线表示标准差（SD），滤膜类型列于表 1中。VS-B表示涂层滤膜。请点击此处查看该图的放大版本。

图3 和 图4 表明，与通过滤膜的病毒总基因组拷贝数相比，使用预滤膜和GF-2滤膜时，具有感染性的病毒数量（PFU/mL）大约低两个数量级，而未使用滤膜时仅低一个数量级。这表明，即使气流较为温和，过滤过程仍可能对病毒颗粒产生机械破坏作用，导致其感染性丧失。

根据实验气流（2 L/min）和估算的滤膜表面积（约20 cm2），表面流速约为0.01–0.02 m/s。纤维滤膜的典型孔隙率范围约为0.7至0.98，具体数值取决于材料和填充密度，其中玻璃纤维高效微粒空气（HEPA）型滤膜的孔隙率通常较低（约0.7–0.9），而结构更开放的合成预滤膜孔隙率较高（约0.85–0.98）47,48。结合滤膜孔隙率和内部流动条件，估算滤材内部的孔隙流速略高于表面流速（0.02–0.03 m/s）。通过考虑滤膜厚度并引入曲折因子（1.2–2.0），估算气溶胶颗粒在滤膜结构内的有效停留时间约为0.03至0.4 s49。这些小于1秒的相互作用时间表明，病毒与表面的接触极为短暂，从而限制了抗病毒涂层在单次过滤过程中的作用效果。

抗病毒涂层VS对使用后滤膜的影响
在两家选定餐厅中使用了3个月的涂覆与未涂覆GF-2滤膜（补充图3 和 补充图4）被用于评估其过滤能力。在相同实验条件下，未使用过的未涂覆（对照）滤膜允许通过1.23 × 102 PFU/mL的感染性病毒。来自高档餐厅和员工食堂的已使用未涂覆滤膜分别允许通过约3 PFU/mL和2.3 × 101 PFU/mL的感染性病毒。相比之下，来自高档餐厅和员工食堂的已使用VS涂覆滤膜分别允许通过5.3 × 101 PFU/mL和4.6 × 101 PFU/mL的感染性病毒（图5）。不同滤膜之间的感染性病毒数量存在统计学显著差异，其中使用3个月的未涂覆GF-2滤膜表现出最明显的减少效果（图5；χ2(2) = 11.432，p = 0.022，补充表11）。使用涂覆的3个月旧GF-2滤膜所得结果与未使用未涂覆GF-2滤膜相比，在p > 0.05时无显著差异（补充表12）。

比较不同涂层的可存活病毒浓度柱状图；包含标准偏差。
图5： 测试使用三个月后的滤材后获得的感染性病毒浓度。每个数据点代表三次实验的平均值以及三次重复计算所得的标准偏差。VS = 含铜和银的表面抗菌剂Viral Safe；GF-2 = 未涂层双层玻璃纤维滤材GF-2（HEPA型滤材）；方框表示均值的95%置信区间，其中黑色横线位于上下置信区间之间。误差线表示每种滤材类型的标准偏差（SD）。请点击此处查看该图的放大版本。

所使用的、未使用的、有涂层和无涂层滤膜的qRT-PCR结果如图6所示。未使用且无涂层（对照）滤膜的qRT-PCR数据显示病毒基因组拷贝数为2.7 × 103 拷贝/mL。来自高档餐厅和员工食堂的已使用且无涂层滤膜的病毒拷贝数分别为3.6 × 102 拷贝/mL和2.4 × 103 拷贝/mL，而来自同一高档餐厅和员工食堂的已使用VS涂层滤膜的病毒拷贝数分别为2.8 × 103 拷贝/mL和4.6 × 103 拷贝/mL（图6）。来自高档餐厅的已使用无涂层GF-2滤膜在降低病毒基因组拷贝数方面显著优于来自员工食堂的已使用无涂层滤膜（p = 0.012）、来自高档餐厅的已使用VS涂层滤膜（p < 0.001）以及来自员工食堂的已使用VS涂层滤膜（p = 0.005）（补充表13 和 补充表 14）。然而，与未使用且无涂层的GF-2滤膜相比，来自高档餐厅的已使用无涂层GF-2滤膜并未表现出统计学上的显著差异（p>0.05）。详细的统计分析结果见补充表14。

病毒浓度分析；显示涂层与非涂层表面标准差的箱线图。
图6：测试使用三个月后的滤膜后病毒基因组拷贝数的浓度。 每个数据点代表三次实验的平均值及计算所得的标准差。VS = 铜和银表面抗菌剂Viral Safe；GF-2 = 双层玻璃纤维滤膜GF-2，未涂层（HEPA型滤膜）；箱体表示均值的95%置信区间，其中黑线为上下置信区间的中位值。误差线表示每种滤膜类型的标准差（SD）。请点击此处查看该图的放大版本。

为了阐明观察到的滤膜性能差异，进行了疏水性和亲油性测试。在高级餐厅和员工食堂所使用的全部滤膜，其两面（内侧——面向进气气流；外侧——面向出气气流）均表现出高度疏水性，水滴的初始接触角 consistently 超过120度，照片记录结果（未展示）证实了这一点。水滴渗透时间（WDPT）测量结果表明这些滤膜具有强疏水性，所有数值均超过7200秒。重复测试之间的差异大于不同类型滤膜之间的差异，这可能是由于使用过的滤膜受到机械扰动所致。因此，采用这些方法未能检测出滤膜之间存在显著差异。

通过在滤膜表面施加菜籽油液滴来评估亲脂性。未涂层滤膜始终表现出较低的亲脂性，液滴接触角在整个测试过程中保持在120度以上。相比之下，Viral Safe涂层滤膜则显示出液滴迅速铺展，施加后60秒测得的接触角约为30度以下（补充图5）。目前尚不清楚这种增强的亲脂性是由涂层本身引起，还是由涂覆工艺所致。

数据可用性
支持本研究发现的原始数据可在补充文件1中获取。

补充图1：自制气溶胶室及其组件。请点击此处下载该文件。

补充图2：滤膜、预滤膜及涂层的图片。（A）聚酯FMR-5预滤膜，（B）Bulpren BP-6预滤膜，（C）聚酯S-11预滤膜，（D）双层玻璃纤维GF-2滤膜。请点击此处下载该文件。

补充图3：使用空气净化器（见材料表）的高档餐厅房间布局，以蓝色矩形标出。黄色矩形表示餐桌，深灰色矩形表示门。网格中每个方格代表1 m2。房间面积约为60 m2。每天约有30名客人到访。请点击此处下载该文件。

补充图4：糖果工厂员工餐厅的布局，其中使用了空气净化器（见材料表），以蓝色矩形标出。黄色矩形表示餐桌，深灰色矩形表示门，灰色矩形表示自助餐台，黑色矩形表示支撑柱。网格中每个方格代表1 m2。房间面积约为160 m2。每天约有20-50名访客到访。请点击此处下载该文件。

补充图5：在餐厅测试中使用过的GF-2滤膜表面的菜籽油液滴（50 µL）。 覆盖有Viral Safe（VS）涂层的滤膜（1–5）比未涂层滤膜（1, 6–7）的抗脂性能显著更低。图片是在液滴施加60秒后，通过制备显微镜的目镜以40倍放大倍数拍摄的。“In”表示气流进入滤膜的一侧；“out”表示气流离开的一侧。VS-B涂层位于滤膜外侧。1为高档餐厅使用过的旧滤膜；2和3为在高档餐厅使用的VS-B涂层滤膜；4和5为在员工食堂使用的VS-B涂层滤膜；6和7为在员工食堂使用的未涂层滤膜。请点击此处下载该文件。

补充表1：qRT-PCR扩增循环参数。 盖子温度105 °C，45个循环，数据采集于62 °C步骤期间。改编自Gregorova等43。 请点击此处下载该文件。

补充表 2：qRT-PCR 引物信息。 改编自 Gregorova 等人43。 请点击此处下载该文件。

补充表 3：本研究中所用涂层材料的详细说明。 涂层的确切化学成分属于制造商（Clean Touch Medical Ltd.）的专有信息。描述基于功能分类及已知的活性成分（铜和/或银）。请点击此处下载该文件。

补充表4：本研究中所用滤材的详细说明。 商业预过滤器的确切材料成分未被制造商完全公开；相关描述基于暖通空调过滤系统中常用的典型材料及观察到的结构特性。请点击此处下载该文件。

补充表5：检验统计量：不同抗病毒表面涂层间病毒传染性的Kruskal-Wallis分析。 分组变量为涂层类型。请点击此处下载该文件。

补充表6：根据Games-Howell多重比较事后检验结果，不同涂层在1分钟和5分钟时间点病毒感染性的统计学显著差异。 统计学显著性在表格的前两栏（1分钟和5分钟时间点）中标记为“是”。请点击此处下载该文件。

补充表7：检验统计量：不同滤膜类型及无滤膜条件下病毒感染性的Kruskal-Wallis分析。 分组变量为滤膜类型。请点击此处下载该文件。

补充表8：根据Games-Howell多重比较事后检验，比较不同预过滤器与无过滤器设置在30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟和180分钟时间点的病毒感染性多重比较检验结果。请点击此处下载该文件。

补充表9：检验统计量：Kruskal–Wallis 检验结果，用于评估不同预过滤器类型、GF-2 滤膜及无滤膜设置之间病毒拷贝数的差异。 分组变量为滤膜类型。请点击此处下载该文件。

补充表10：根据Games-Howell多重比较事后检验，比较30分钟、60分钟、90分钟、120分钟、150分钟和180分钟时间点下预滤器、GF-2滤器与无滤器设置之间病毒拷贝数的多重比较检验结果。请点击此处下载该文件。

补充表 11：检验统计量：Kruskal–Wallis 检验结果，比较未使用过的 GF-2 滤膜与餐厅使用过的滤膜之间的病毒传染性。 分组变量为滤膜类型。请点击此处下载该文件。

补充表12：根据Games-Howell多重比较事后检验，预过滤器与无过滤器设置之间病毒感染性的多重比较检验结果。请点击此处下载该文件。

补充表13：比较不同预过滤类型、GF-2滤膜及无滤膜设置下病毒拷贝数的Kruskal-Wallis检验结果。 分组变量为滤膜类型。请点击此处下载该文件。

补充表14：根据Games-Howell多重比较事后检验，预过滤器、GF-2滤膜与无过滤设置之间病毒拷贝数多重比较检验结果。请点击此处下载该文件。

补充文件1：本研究的原始数据。请点击此处下载该文件。

讨论

本研究中，我们介绍了一种在微生物气溶胶舱内评估抗病毒滤膜及预滤膜表面涂层效率的实验方案。所制备的气溶胶舱提供了一个可控且封闭的系统，适用于无菌微生物分析，该装置可高压灭菌、便于携带、透明且体积小（3 L），相较于此前报道的一些气溶胶舱具有明显优势31,50,51。

本研究中测试的所有涂层材料均被证实具有抗病毒活性（图2A），其中实验性铜基表面涂层B4表现出最高的效能，在10分钟内将病毒传染性降低至检测限以下。铜基涂层A6紧随其后，在25分钟内实现病毒完全失活（图2A）。这些结果与先前关于铜和银抗病毒特性的报道一致17,18,20,21,22,52。在液滴干燥前的最初5分钟内未观察到病毒失活现象，表明早期传染性降低主要归因于干燥作用，而非涂层本身（对照组，图2A，图2B）36。与VS和VS-B涂层相比，B4和A6涂层表现出更快的失活动力学，而VS-B需要长达60分钟才能达到检测限（图2A）。由于缺乏B4和A6涂层的预过滤器，因此在后续的过滤器气溶胶实验中选择了VS-B。

本研究结果强调，即使没有抗病毒涂层，HEPA 过滤器和初效过滤器也能有效减少穿透它们的病毒数量。气溶胶病毒在过滤过程中受到机械应力作用，导致病毒感染性降低 1.0–2.0 个对数级（从约 8 × 105 – 1 × 107 PFU/mL 降至约 5 × 104 – 105，图 3A）。这一减少效应在所有初效过滤器测试中均一致观察到，支持了以往的研究结果50,53,54。对于 GF-2 型 HEPA 过滤器，病毒感染性的损失更为显著，检测不到具有感染性的病毒颗粒（低于方法的检测灵敏度极限，图 3A）。相较于总基因组拷贝数，病毒感染性较低的现象表明过滤过程对病毒颗粒造成了机械损伤，这一现象在有包膜的 Phi6 病毒中尤为明显。由于有包膜病毒更易受到机械破坏，这种差异在无包膜病毒中可能较小55。

在气溶胶测试中，涂层对初效过滤器的过滤性能没有产生统计学上显著的影响。这可能反映了涂层与穿过过滤器的病毒之间接触有限，导致涂覆与未涂覆的初效过滤器结果相似（图3B，图4B）。计算得出的亚秒级滞留时间表明，抗病毒失活动力学必须在极短的时间尺度内发生，才能在实际气流条件下发挥作用。此外，我们的结果提示，所测试的涂层并未表现出铜离子对带负电荷生物分子所具有的静电亲和性，而这种特性本可能吸引病毒至滤材表面并减少其通过量56。因此，初效过滤器涂层的主要优势可能在于其捕获后的自清洁能力，正如表面测试所证实的那样，而非提升机械过滤效率。需要强调的是，本研究中进行的实验代表单次通过的过滤条件，即气溶胶颗粒仅与过滤器接触一次。这导致滞留时间极短且病毒与表面接触有限，可能削弱了抗病毒涂层可观察到的效果。相比之下，实际应用中的空气净化系统通常在循环条件下运行，空气的反复通过会增加累积接触，可能增强涂层的效果。

我们的结果表明，与未使用的滤膜相比，GF-2 滤膜在高档餐厅和员工食堂的空气净化器中连续使用三个月后，对感染性病毒的去除效果更佳（补充图 3 和 补充图 4），优于未使用的滤膜（图 5）。这种改善可能归因于多种因素。首先，已有报道指出，灰尘和其他颗粒物的积累可使病毒失活57。其次，室内空气污染物的逐步积聚可能暂时增加滤膜结构的密度，从而提高其过滤效率57,58,59。值得注意的是，滤膜表面涂层的存在并未显著影响病毒的感染性或通过 qRT-PCR 检测到的基因组拷贝数。无论滤膜是否有涂层或是否使用过，非感染性病毒颗粒的穿透情况也相似，表明 GF-2 HEPA 型滤膜及前置滤膜的过滤效率主要反映其机械性能。然而，颗粒物在 GF-2 滤膜表面的积聚显著减少了穿透滤膜的感染性病毒数量（图 5）。

为了理解图5和图6中观察到的滤膜性能差异，进行了额外的测试。所有滤膜在接触水滴时均表现出强烈的疏水性，而在油滴测试中则显示出显著差异，其中VS涂层滤膜表现出明显的亲油性。这种差异的潜在机制尚不明确，但这些结果表明滤膜的使用年限或使用历史可能并非影响其性能的主要因素。相反，表面预处理的类型可能会改变滤膜的物理特性，从而影响病毒的截留与透过。综合来看，这些发现表明抗病毒涂层所提供的功能优势超出了单纯的机械过滤，尤其是其自清洁潜力，可能降低操作人员处理使用过的滤膜时面临的健康风险。

尽管本方案为评估抗病毒过滤提供了可靠的框架，但仍需考虑若干局限性。首先，本研究使用有包膜的噬菌体Phi6作为人类呼吸道病原体的替代物。虽然Phi6在结构和化学性质上与冠状病毒具有相似性，但其在环境稳定性及表面蛋白方面的差异可能影响确切的灭活动力学。其次，尽管部分涂层表现出显著的有效性，但本研究仅在特定气溶胶条件下评估了有限数量的配方；未来的研究应扩大范围，纳入更多种类的抗菌剂。最后，实验是在受控的气溶胶舱内进行的，空气流速和湿度均受到调节。尽管这些条件可确保实验的可重复性，但无法完全模拟真实室内环境中复杂的湍流气流及波动的环境参数。

总体而言，本研究表明，GF-2 玻璃纤维滤材和前置过滤器能够高效去除具有感染性的病毒，尤其在长期使用后由于颗粒物密实化而效果更佳；而铜基和银基涂层的主要作用是在与病毒直接接触时将其灭活。这些发现强调了机械过滤在控制空气传播病毒方面的有效性，并提示未来的研究应评估抗病毒涂层与其他干预措施（如紫外线照射）联用的效果，以进一步降低传播风险。前置过滤器60,61。此外，未来还需开展实地研究，将这些涂层整合到现有建筑通风系统中，以验证其在实际环境中的性能 in situ。

披露

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢 Sari Korhonen 提供出色的技术支持。感谢 Pavlina Gregorova 在 qRT-PCR 实验方案方面提供的建议。我们深切感谢已故的 Dennis H. Bamford 教授在设计实验腔室装置过程中所给予的宝贵指导以及在整个实验期间提供的各项支持。感谢 A.-P. Hyvärinen 博士在搭建气溶胶测试腔室过程中提供的协助。谨此感谢赫尔辛基大学 Instruct-HiLIFE Biocomplex 单位（Instruct-ERIC 芬兰中心、FINStruct 和 Biocenter Finland 的成员）所提供的设施与专业技术支持。本研究由芬兰研究理事会资助，项目编号为 COVID 专项资助 335681，以及授予 N.S.A. 的资助 368144。同时感谢芬兰研究理事会对 ACCC 旗舰项目的资助（资助编号 337552）。我们声明，本实验的最终完成得到了 Clean Touch Medical LTD、M-Filter LTD 和 UniqAir LTD 的资金支持，但上述公司在实验设计、实施、结果报告以及论文撰写过程中均未参与或发挥作用。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
气溶胶室玻璃圆筒及盖子Laborexin OyN/A定制的玻璃圆筒及盖子，用于气溶胶密闭。
气溶胶室内金属支架Clean Touch Medical Ltd.N/A定制的不锈钢支撑结构，用于安装滤膜。
气溶胶室盖子绝缘垫圈Etra Oy (Etola Group)N/A定制的橡胶垫圈，用于实现气密性密封。
空气泵，WI 53082Thomas Industries Inc.N/A隔膜泵，用于维持通过腔室的受控气流。
BioSamplerSKC Inc.https://international.skcinc.com/products/air/bioaerosol-samplers/biosampler全玻璃旋流式冲击采样器，用于高效收集空气中的病毒。
涂覆测试样品片Clean Touch Medical Ltd.www.cleantouchmedical.com涂有抗菌配方的光面纸载片，用于表面功效测试。
CompAir Pro NE-C900 雾化器Omron HealthcareNE-C900 高输出压缩式雾化器，用于病毒气溶胶的生成。
SPSS Statistics 软件IBM Corp.https://www.ibm.com/products/spss统计分析软件，版本 28.0。
QuantStudio 设计与分析软件Thermo Fisher Scientifichttps://www.thermofisher.com/in/en/home/technical-resources/software-downloads.html#pcr用于 qRT-PCR 数据分析的软件，版本 1.3.1。
UniqAir PRO 空气净化器UniqAir Oyhttps://www.uniqair.fi/商用级空气净化装置，用于腔室废气清除。

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