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
2026年5月29日
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。
我们研究了预过滤器和抗病毒涂层在降低室内环境中空气传播病毒的感染性和浓度方面的效果。目前的方法忽略了真实的气流动力学。我们的实验方案可重现气溶胶条件，并同时测量具有感染性的病毒和总的病毒载量。
首先，将纯化的phi6噬菌体储备液用含有1毫摩尔氯化镁的20毫摩尔磷酸钾缓冲液稀释，并调节pH至7.2。在生物安全柜内组装所有滤膜、预滤膜及含抗病毒涂层的材料，以进行表面测试。基于铜或铜与银活性成分嵌入专有基质中的涂层材料（即A6、B4、VS和VS B）在平板测试样品上评估其抗病毒活性。
接下来，用移液器将20微升稀释的phi6噬菌体储备液滴加到已包被的测试样品上，以进行表面存活率测定。使用无菌玻璃三角棒将样品均匀涂布在2厘米×2厘米的区域内。将样品在22°C下孵育，分别在1分钟、5分钟、1小时和3小时四个时间点进行检测。
每个时间点后，向表面加入 180 微升新鲜 LB 肉汤以回收病毒。通过反复吹打 10 至 20 次清洗表面，收集样品。使用塑料培养皿作为对照表面。
使用噬斑实验定量评估表面涂层的抗病毒功效，以测定感染性病毒颗粒的数量，并采用定量逆转录聚合酶链式反应（qRT-PCR）检测病毒基因组拷贝数。按照先前所述方法稀释纯化并浓缩的phi6噬菌体悬液，获得每毫升2.5×10¹⁰至4.08×10¹¹个噬斑形成单位的病毒浓度。接下来，使用圆柱形玻璃主体及配套盖子组装实验气溶胶室。
将内部金属支架插入腔室，并固定绝缘垫圈以确保气密性密封。使用雾化器结合空气泵来产生稳定且可重复的病毒气溶胶输入。每次实验前后均需对雾化器中使用的病毒溶液进行滴定，以监测其稳定性。
将气溶胶流速设置为腔室内每分钟8升。为在长时间测量期间降低湿度，通过高效微粒空气（HEPA）过滤器将约四分之三的气溶胶流导向排气口。使剩余的四分之一气流（相当于每分钟2升）进入腔室。
使用漏斗将气溶胶气流引导至腔室内的滤膜或前置滤膜表面。利用干燥器对排出的气流进行除湿，以保护高效过滤器（HEPA）和流量计免受过多湿气影响。通过外部泵在系统内产生负压，并进一步促进气流，确保气体高效地从出口排出。
在气溶胶室中，评估未涂层或VS B涂层聚酯材料以及bulpren预过滤器与双层玻璃纤维材料的抗病毒特性。为通过撞击采样法评估抗病毒效果，将含有20毫摩尔HEPES缓冲液（pH 7.2）的培养皿置于待测预过滤器正下方，以最大化颗粒沉积。或者，为测试GF2滤膜的抗病毒效果，可设置一个三喷嘴全玻璃旋流冲击器，并连接外部泵以收集气溶胶。
以每分钟两升的流量使气流通过测试预滤器或滤器。在腔室出口后通过一个附加阀门将总进气量增加至每分钟10升。用5毫升20毫摩尔的HEPES缓冲液捕获气溶胶。
每30分钟补充一次因蒸发而损失的缓冲液。进行三重取样时，每次实验前后均需进行15分钟的对照运行，对照运行时不使用预滤器或滤膜。在实验前的对照运行结束后，将滤膜或预滤器插入腔室，并运行系统三小时。
每30分钟从含有20毫升缓冲液的培养皿中收集1毫升悬液，以采集病毒气溶胶。实验结束后取下滤膜，并进行实验后对照运行。在实验过程中每30分钟采集一次样品，每次实验共获得八个qRT-PCR样品和八个滴定样品。
在撞击式采样器实验中，仅在三小时运行结束时采集一次滴定样品。取800 µL收集的样品用于qRT-PCR分析，剩余的200 µL用于病毒滴度测定。将qRT-PCR样品在液氮中迅速冷冻，并在-80 °C下保存。
立即使用噬斑试验处理病毒滴度样品。表面存活率试验表明，所有测试的涂层均能成功灭活病毒，在前五分钟内即观察到显著减少。基于铜的表面涂层B4实现了最快的减少效果，五分钟内感染性病毒数量减少了三个数量级，并在15分钟内达到完全灭活，检测限低于每毫升100个噬斑形成单位。
A6涂层在25分钟内实现了病毒的完全灭活，VS B在60分钟内完成灭活。VS涂层在所测试材料中表现出最慢的灭活速率。所研究的预过滤器BP6、S11和FMR5在降低穿透其的感染性病毒数量方面效果相当，与无过滤器对照组相比，病毒量减少了1.5至2个数量级。
GF2滤膜表现出更优的性能，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。VS B涂层与未涂层的预过滤器相比，对感染性病毒的过滤效率无显著影响。qRT-PCR结果表明，预过滤器可将病毒基因组拷贝数降低高达两个数量级。
与无滤膜对照组相比，GF2滤膜显示出高达四个数量级的减少。尽管在前30分钟内，预滤膜与对照组之间的差异仍不显著，但从60分钟时间点开始，机械过滤效率有所提高。此外，VS B涂层的应用对通过过滤介质的病毒基因组数量未产生可测量的影响。
本方案使研究人员能够量化病毒灭活率、过滤效率，以及感染性颗粒与总病毒载量之间的差异。一个关键挑战是在气流过程中病毒与表面接触时间极短，这限制了抗病毒涂层的有效性。未来的研究可探索将涂层与紫外线结合使用，或在真实通风系统中测试其性能，并针对多种病毒进行验证。
概述
本研究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，评估了应用于空气过滤器的铜基和银基表面涂层的抗病毒功效。该研究旨在为开发更高效的室内空气过滤技术提供依据，这一需求在COVID-19大流行期间尤为突出。
关键研究组成部分
科学领域
- 病毒学
- 环境工程
- 材料科学
- 公共卫生
背景
- 室内空气过滤对于降低呼吸道病毒的空气传播至关重要。
- 具有抗病毒特性的表面涂层可通过灭活截留的病原体来增强过滤器性能。
- 新冠肺炎疫情大流行增加了对改进空气过滤解决方案的需求。
- 噬菌体Phi6可作为研究包膜呼吸道病毒的安全替代物。
研究目的
- 评估多种基于铜和银的涂层在空气过滤器表面的抗病毒活性。
- 确定这些涂层对空气中病毒的过滤和灭活效果的影响。
- 比较在表面病毒和气溶胶病毒情况下，涂层过滤器与未涂层过滤器的功效差异。
使用的方法
- 将铜和银基涂层应用于空气过滤材料。
- 使用标准化的生物气溶胶舱进行受控测试。
- 对表面进行测试，以评估对Phi6的直接抗病毒活性。
- 通过气溶胶实验评估空气通过过程中的过滤效率和病毒灭活效果。
主要结果
- 所有测试的涂层在表面均表现出抗病毒活性，其中基于铜的B4涂层在10分钟内实现了Phi6的完全失活。
- 高效微粒空气（HEPA）和初效过滤器即使未涂覆涂层，也能通过机械过滤使病毒传染性降低1.0–2.0个对数单位。
- 高效GF-2玻璃纤维过滤器可消除可检测到的感染性病毒。
- 在气溶胶实验中，涂层并未显著提高过滤效率，可能是因为病毒与涂层表面接触有限所致。
- 使用过的GF-2过滤器由于颗粒物的积累和致密化，表现出更优的病毒去除效果。
- VS-B涂层过滤器表现出亲脂性特征，提示可能存在额外益处。
结论
- 机械过滤是空气过滤器去除病毒的主要机制。
- 抗病毒涂层可通过灭活截留在滤材表面的病毒，实现自我消毒功能。
- 整合紫外线（UV）照射被提议作为未来的改进措施，以进一步提高系统的过滤效能。
常见问题
行业高管的相关性
评估用于病毒气溶胶去除的涂层和预过滤技术，有助于弥补生物制药设施在生物安全和环境控制方面的关键空白。本研究阐明了表面涂层与机械过滤在作用机制上的各自贡献，为研发和生产环境中的风险缓解策略提供了依据。研究结果支持基于证据的过滤系统选择，以降低企业各项目中空气传播病毒污染的风险。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 利用标准化的替代病毒模型，实现对病毒抑制表面技术的可控评估。
- 通过区分失活作用与物理去除机制，支持基于机理的风险排除研究。
- 为评估生物安全工作流程中的新型滤材与涂层提供定量基准。
筛选与检测方法开发
- 在标准化气溶胶挑战条件下，促进滤材过滤效率的可重复性测试。
- 提供定量的感染性及病毒拷贝数输出结果，用于不同类型滤材的交叉比较。
- 支持检测方法的标准化，以评估自清洁滤材技术。
转化与临床前研究
- 将替代病毒检测与呼吸道病原体防控的转化生物安全需求相统一。
- 实现从抗病毒材料的发现到环境控制措施临床前验证的连贯性。
- 为受控环境中过滤技术的风险适配性推进提供依据。
流程与工作流整合
该方法学融入了生物安全与环境控制的连续体系，涵盖抗病毒材料的早期发现到设施控制的临床前评估。
- 发现生物学：量化涂层的抗病毒活性，并阐明其在病毒灭活中的作用机制。
- 筛选：提供标准化的感染性降低和病毒载量读数，用于滤材比较。
- 分析：支持对数减少量计算和拷贝数定量，以辅助数据驱动的决策。
- 转化研究：将替代病毒测试与研发和生产中的实际生物安全应用相衔接。
- 企业级复用：建立可重复使用的框架，用于跨项目评估新型滤材与涂层组合。
运营与企业影响
- 科学价值：提高对滤器性能和病毒灭活机制的预测可信度。
- 操作价值：支持生物安全检测工作流程的标准化与可重复性。
- 战略价值：为设施升级和技术引进的决策提供依据。
- 项目组合影响：降低后期生物安全风险，并支持基于风险调整的环境控制优先级排序。
实施注意事项
- 需要具备病毒学、气溶胶科学和定量感染性检测方面的专业知识。
- 需要能够使用标准化的生物气溶胶舱和经过验证的替代病毒模型。
- 要求各团队在检测方案和数据分析标准方面达成一致。
- 可能需要根据不同的滤材几何结构或特定设施的气流条件进行调整。
- 涂层效能受限于病毒与滤材的接触效果；机械过滤仍是主要的去除机制。
