吳大勇丨從口罩制作到癌癥篩查，納米纖維的作用如此強大

一毫米這樣短的距離，

其實能夠擺放二十根頭發(fā)。

那一毫米能夠擺放多少根納米纖維呢？

大概是一兩萬根。

大家好，我是吳大勇，來自中科院理化所。今天，我為大家?guī)淼目破罩v座題目是《奇妙的納米纖維》。

在開始講述納米纖維之前，我想先給大家提兩個問題：自然界中纖維有哪些？有沒有人工合成的纖維呢？

在生活中，我們最常見的生物纖維其實是棉花。我們穿的衣服、蓋的被子都是由棉花纖維做成的，還有以前我們洗碗用的絲瓜絡(luò)，這些都是植物、作物中的植物纖維。在動物纖維里，羊毛和我們的生活最密切相關(guān)，還有就是蠶絲。我們?nèi)梭w有沒有纖維呢？有的，就是頭發(fā)。

人工合成的纖維大家可能聽說過腈綸和莫代爾，還有我們的衣服里面增加彈性的纖維叫萊卡。

其實，纖維是無處不在的，它指的就是連續(xù)或者不連續(xù)的細絲狀的物質(zhì)。納米則是個長度單位，它是一毫米的百萬分之一。一毫米這樣短的距離，其實能夠擺放二十根頭發(fā)。那一毫米能夠擺放多少根納米纖維呢？大概是一兩萬根。直徑在納米尺度的纖維，我們就稱之為納米纖維。

當材料的尺寸到達納米量級的時候，它就會出現(xiàn)和以往不一樣的特性。而這些特性往往又是非常重要的。這就是為什么我們要去研究納米纖維。

首先，我們要看一看這么細的納米纖維是如何做出來的。

制造出它的技術(shù)叫做靜電紡絲。這并不是一項新技術(shù)，它在1934年被發(fā)明出來，已經(jīng)是八十多年前了。其原理很簡單，用一個管子把高分子溶液輸送到金屬的噴頭里，這個金屬噴頭很細，大概和醫(yī)院打針的針頭差不多。把這個噴頭連上直流的高壓電，然后在它對面放一個金屬的接收裝置，這個裝置可以是平板的或者其他形狀的。于是，噴頭和接收裝置之間就產(chǎn)生了高壓電場。高壓電場之間有靜電力，就可以把聚合物的溶液拉成細絲。

大家可以看到，當電源打開時，針頭處有一個液滴被逐漸地拉長，然后突然噴射了出去。噴出來的絲細嗎？當然細，因為它是納米級的。細心的你可能會問，出來的應(yīng)該是一根螺旋狀的細絲，但為什么我們看到的是一下子噴出了的團狀呢？這是因為我們的眼睛沒那么快，捕捉得不夠清楚。如果用高速攝像機把這個過程重復(fù)一遍，我們就能知道答案。

請大家觀看上面的這個動畫。它的時間是14點28分12秒多。我們可以看到，有一根絲的末端在作螺旋狀鞭動。這第12秒之所以過得那么長，就是因為這是用超高速攝像機來拍攝的。這個視頻時長16秒鐘，但拍攝它僅僅耗時0.3秒。也就是說，這個視頻被放慢了五百多倍，這樣我們就能看清楚它的產(chǎn)生過程。

靜電紡絲的過程非常奇妙。一滴高分子溶液放在電場里面，電場力就會把它拉長、再變尖、繼續(xù)拉長，形成一個圓錐，最后有一根細細的納米射流噴出。當納米射流穩(wěn)定后，這個小的圓錐會往回縮，形成穩(wěn)定的狀態(tài)。這個錐狀的學(xué)術(shù)名稱叫做泰勒錐。這個過程具備很多非常顯著的力學(xué)特點，有電場力包括電荷之間的斥力，重力，還符合彈簧的力學(xué)特征。

下面這是十年前，我和我的同事們制作的一條靜電紡絲的生產(chǎn)線。

它全長有五十多米，里面集成了四十多個噴頭組，每一個噴頭組都有十幾個噴頭。而一開始的原理裝置只有一個噴頭，效率比較低。我們做科學(xué)研究的人，想把一項科學(xué)技術(shù)持續(xù)地發(fā)展下去，讓它具有生命力和實用性，就需要發(fā)揮聰明才智，來創(chuàng)造、推動它的發(fā)展。

靜電紡絲技術(shù)不止有一個流派。這是歐洲捷克的科學(xué)家發(fā)明的制造納米纖維的機器，他們非常驕傲地把它稱之為“納米蜘蛛”。這也是一種納米纖維產(chǎn)生的過程，它和我們使用的方法不一樣。最顯著的差別是我們的裝置有噴頭，它沒有噴頭，而是用一根金屬絲。視頻中往復(fù)移動的裝置就是給金屬絲補充原料的。

這兩種方法各有千秋，但“納米蜘蛛”還是有缺點的。第一，它的原料供應(yīng)并不是連續(xù)的，所以絲的長度有限；第二，它只能從下往上噴。

我們的針狀噴頭的靜電紡絲裝置還有一項獨門絕技：它可以制造出很多形狀特殊的納米纖維。比如，上圖左側(cè)就是用針頭噴成的，但這些纖維沉積在我們的收集裝置上，它們的排布是沒有規(guī)律的，能不能讓它們有規(guī)律呢？這很難，但也有方法可以做到。如果我們用兩個平行電極搭成接收裝置，這樣產(chǎn)生的納米纖維就能夠平行排布（上圖右上）。如果把這個接收電極做成交叉的呢？那么接收到的納米材料就能組成交叉的結(jié)構(gòu)（上圖右下）。

當然，它也可以被編織出其它的結(jié)構(gòu)和形狀，但有一個前提：我們需要很好地設(shè)計出接收裝置的電極。十幾年前，我和我的團隊做了一個靜電紡絲的裝置，在設(shè)備的接收裝置上設(shè)計了很多的網(wǎng)紋，得到了上圖漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維膜。

這些圖片展示的也是針式靜電紡絲的絕技。每張圖下面有一個標尺，這樣小的尺度肉眼是無法分辨的，用掃描電鏡才能夠看得到，這就是纖維的微觀結(jié)構(gòu)。左邊非常細的纖維是中空的，像一根管子，纖維內(nèi)居然還可以植入三個隔擋。中間那個就更了不起了，幾百納米直徑的小管中間，居然還能植入一根更細的纖維。右邊的那根表面有很多孔，它具有多孔結(jié)構(gòu)且十分疏松，可以被用來負載催化劑、藥物，或是達成一些特殊的設(shè)計用途。

另外，假如我們把很多種顏料混合在一起，注入到靜電紡絲的噴頭當中，就可以得到上圖這樣，五彩斑斕的、纏繞在一起的漂亮纖維。

如果有更多奇思妙想，我們還可以改變制備方法、改變設(shè)備，把納米纖維做成纖維上面長晶體的、長棒狀的結(jié)構(gòu)。我們甚至可以在非常微小的維度中，做出這樣格狀特殊的膜材料；甚至可以用靜電紡絲來制造人工的血管。

結(jié)構(gòu)的樣式還有很多，而受限的只是我們的想象力。只要發(fā)揮聰明才智，創(chuàng)新方法，就可以得到很多神奇的東西。日常生活中，棉花是很常見的，但它的纖維相對比較粗。那我們能否得到納米纖維的棉花呢？當然也可以。只要做一個上圖這樣的、特別的靜電紡絲裝置，就可以紡出棉桃狀的東西。

前面介紹了納米纖維的基礎(chǔ)知識和制備方法，下面我想分享一下怎么圍繞納米纖維做科學(xué)研究。

先從簡單的講起。2017年冬天，北京市空氣污染特別嚴重。有天晚上我拿儀器測了一下，PM10居然達到了兩千左右。我開始懷疑，普通口罩的防護效果可能不夠好。怎么辦？那就自己做一個。

于是，我們做出了納米纖維作為過濾材料的口罩。納米纖維它上面是帶電荷的，而那些污染性的PM2.5、PM10，往往也是帶電荷的。不同種的電荷相吸，就能把污染物顆粒固定、捕獲住?；谶@個原理，我們做出了防護能力高達98%的口罩。它比一般的口罩更輕，透氣性更好，戴著也不悶，同時還提高了保護效率。在2020年春節(jié)到來時，全國哪里都買不到口罩，而我們那里還有這么多好口罩。于是我們就把這些防護口罩分給了大家，分給了需要幫助的人。在疫情中，我們用這個小小的口罩幫助了上千人。

▲ 利用納米纖維吸附帶電顆粒的性質(zhì)

過濾效率高達98%的防護口罩

下面這個故事更有意思，我用3D打印制作了納米纖維的面膜。為什么要干這件事情呢？有一次，我在家里面偷偷往自己臉上敷了個面膜，也想體會體會是什么感覺。后來發(fā)現(xiàn)挺難受的，因為這個面膜和我的臉形不吻合，貼著不舒服。

后來我就想，給自己做一個舒服的：用3D掃描給自己的臉形建立一個模型，打印一個硬模，然后用靜電紡絲的方法在硬模上給我自己制作面膜。大家看這個面具怎么樣，酷不酷？

在這個面具上，我們還可以打各種營養(yǎng)物質(zhì)、治病的藥物等等，非常的好。

剛才提到，納米纖維雖然細，但可以變成中空的，可以在表面上有孔?；谶@種條件，把藥物裝進去會有什么效果呢？它將通過纖維表面的孔慢慢地釋放出來。本來你吃的藥物可能持續(xù)有效1小時，而把它放在具有孔的纖維里面，它可以在12小時或更長時間內(nèi)均勻地釋放出來。這就叫做藥物的緩釋。

還有一個很有趣的技術(shù)：既然藥物能夠裝進納米纖維，那我們能不能拿這樣的納米纖維殺死癌細胞呢？

我們也進行了研究：把能夠在光照條件下產(chǎn)生殺死癌細胞的物質(zhì)裝進納米纖維。上圖里的小點點全是癌細胞。左邊的一列沒有加入殺死癌細胞的藥物，而右邊的那列有加入。很短的一段時間后，結(jié)果是左邊的癌細胞更多，這說明右側(cè)的藥物起了作用。右下圖里還有一些紅色的小點點，它們是被殺死的癌細胞。

另外還有個非常有意思的研究。癌癥是威脅人類健康的一大殺手，而醫(yī)院的癌癥篩查很麻煩，費用也很高。能不能用一種簡單的方法，像拿pH試紙測水的酸堿度一樣，就鑒定出血液當中的癌細胞呢？

▲ 下側(cè)為納米纖維膜基底

我們經(jīng)過三年多的努力，終于發(fā)明了出來。首先，我們做出了有非常多孔隙的納米纖維膜。這就是放大很多倍后的纖維膜，可以看到纖維上有很多的孔。然后，我們把能夠捕獲腫瘤標志物的抗體固定在了這個膜上。

什么是腫瘤標記物？人體長了腫瘤后，腫瘤出于生存的需要，它會代謝出一些產(chǎn)物進入到血液中。當檢測到代謝產(chǎn)物的濃度超過正常范圍后，我們就能發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)有了腫瘤。

于是，我們把捕獲腫瘤標記物的蛋白固定在納米纖維膜上，同時添加了可顯色的膠體金顆粒。當被檢樣品中含有腫瘤標記物時，就顯示出顏色，被檢測器靈敏地捕捉到。

基于標記物的顯色，我們又在膜上做出了一些設(shè)計。當標記物濃度超出正常值時，這個膜就開始顯色，從無色變成淺粉色。隨著標記物的濃度升高，其顏色也會越來越深。這種檢測能非常簡單、直觀地判斷出，病人的血清當中是否含有過量的腫瘤標記物。近兩年我們也有和醫(yī)院合作，希望把研究成果推廣到臨床應(yīng)用當中去。

有一種叫組織工程的科學(xué)研究，是用人工的方法把細胞培養(yǎng)成組織，進一步成長為器官?，F(xiàn)在有很多相關(guān)的研究，包括肌肉細胞、心肌細胞、動脈瓣膜、間質(zhì)干細胞、皮膚組織、骨頭、血管等等在進行。

而組織工程培養(yǎng)細胞最理想的介質(zhì)是什么呢？答案就是靜電紡絲制作的納米纖維，沒有材料比它更好、更合適了。上方視頻就是我們做的納米纖維培養(yǎng)細胞的效果。

另外，我們也在實驗室里用納米纖維做成了管狀的支架，培養(yǎng)平滑肌細胞和血管內(nèi)皮細胞來模擬血管。

人體的血管是由平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞組成的，而且有很多層。我們需要在不同層里做出支架來培養(yǎng)不同的細胞，在把它們卷在一個管里，來模擬真實的血管。

左邊16張圖展示了不同支架位置、不同種細胞生長的檢測情況，顯示血管支架里面的平滑肌細胞和內(nèi)皮細胞生長得很好。右邊是人工培養(yǎng)的血管切片，它已經(jīng)完整地長成了環(huán)形。

說到底，為什么我們要研究納米纖維呢？究其原因，一部分是基于國家的需求，另一部分是基于我對科研的興趣。

左邊這張圖就是我小時候，當時我最愛看的一本書叫做《小靈通漫游未來》。小時候的我有兩個理想，第一個，是小學(xué)畢業(yè)能考上人大附中；第二個，是長大以后當海軍戰(zhàn)士，保衛(wèi)祖國。后來，我考上了人大附中，但沒當成海軍。不過長大后，我逐漸明白了，保衛(wèi)祖國不一定要當戰(zhàn)士，做科學(xué)家一樣可以。我們研究新的技術(shù)、武器，照樣可以保衛(wèi)祖國。

在電影《蜘蛛俠》里，主角一伸手就能噴出纖維。我就想：這是納米纖維嗎？為什么那么強？我們有沒有可能造出這樣的材料？我希望大家都能夠保持一顆好奇的心，有勇于探索的精神，去創(chuàng)造屬于你們的那份光榮。

我的演講就到這里，謝謝！

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文章和演講僅代表作者觀點，不代表格致論道講壇立場。