吳大勇丨從口罩制作到癌癥篩查，納米纖維的作用如此強(qiáng)大

一毫米這樣短的距離，

其實(shí)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(wàn)根。

大家好，我是吳大勇，來(lái)自中科院理化所。今天，我為大家?guī)?lái)的科普講座題目是《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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)，纖維是無(wú)處不在的，它指的就是連續(xù)或者不連續(xù)的細(xì)絲狀的物質(zhì)。納米則是個(gè)長(zhǎng)度單位，它是一毫米的百萬(wàn)分之一。一毫米這樣短的距離，其實(shí)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(wàn)根。直徑在納米尺度的纖維，我們就稱之為納米纖維。

當(dāng)材料的尺寸到達(dá)納米量級(jí)的時(shí)候，它就會(huì)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(xì)的納米纖維是如何做出來(lái)的。

制造出它的技術(shù)叫做靜電紡絲。這并不是一項(xiàng)新技術(shù)，它在1934年被發(fā)明出來(lái)，已經(jīng)是八十多年前了。其原理很簡(jiǎn)單，用一個(gè)管子把高分子溶液輸送到金屬的噴頭里，這個(gè)金屬噴頭很細(xì)，大概和醫(yī)院打針的針頭差不多。把這個(gè)噴頭連上直流的高壓電，然后在它對(duì)面放一個(gè)金屬的接收裝置，這個(gè)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(chǎng)。高壓電場(chǎng)之間有靜電力，就可以把聚合物的溶液拉成細(xì)絲。

大家可以看到，當(dāng)電源打開時(shí)，針頭處有一個(gè)液滴被逐漸地拉長(zhǎng)，然后突然噴射了出去。噴出來(lái)的絲細(xì)嗎？當(dāng)然細(xì)，因?yàn)樗羌{米級(jí)的。細(xì)心的你可能會(huì)問，出來(lái)的應(yīng)該是一根螺旋狀的細(xì)絲，但為什么我們看到的是一下子噴出了的團(tuán)狀呢？這是因?yàn)槲覀兊难劬]那么快，捕捉得不夠清楚。如果用高速攝像機(jī)把這個(gè)過程重復(fù)一遍，我們就能知道答案。

請(qǐng)大家觀看上面的這個(gè)動(dòng)畫。它的時(shí)間是14點(diǎn)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(dòng)。這第12秒之所以過得那么長(zhǎng)，就是因?yàn)檫@是用超高速攝像機(jī)來(lái)拍攝的。這個(gè)視頻時(shí)長(zhǎng)16秒鐘，但拍攝它僅僅耗時(shí)0.3秒。也就是說，這個(gè)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(chǎng)里面，電場(chǎng)力就會(huì)把它拉長(zhǎng)、再變尖、繼續(xù)拉長(zhǎng)，形成一個(gè)圓錐，最后有一根細(xì)細(xì)的納米射流噴出。當(dāng)納米射流穩(wěn)定后，這個(gè)小的圓錐會(huì)往回縮，形成穩(wěn)定的狀態(tài)。這個(gè)錐狀的學(xué)術(shù)名稱叫做泰勒錐。這個(gè)過程具備很多非常顯著的力學(xué)特點(diǎn)，有電場(chǎng)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(zhǎng)有五十多米，里面集成了四十多個(gè)噴頭組，每一個(gè)噴頭組都有十幾個(gè)噴頭。而一開始的原理裝置只有一個(gè)噴頭，效率比較低。我們做科學(xué)研究的人，想把一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)持續(xù)地發(fā)展下去，讓它具有生命力和實(shí)用性，就需要發(fā)揮聰明才智，來(lái)創(chuàng)造、推動(dòng)它的發(fā)展。

靜電紡絲技術(shù)不止有一個(gè)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(jī)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(dòng)的裝置就是給金屬絲補(bǔ)充原料的。

這兩種方法各有千秋，但“納米蜘蛛”還是有缺點(diǎn)的。第一，它的原料供應(yīng)并不是連續(xù)的，所以絲的長(zhǎng)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(xiàng)獨(dú)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(gè)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(gè)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(dāng)然，它也可以被編織出其它的結(jié)構(gòu)和形狀，但有一個(gè)前提：我們需要很好地設(shè)計(jì)出接收裝置的電極。十幾年前，我和我的團(tuán)隊(duì)做了一個(gè)靜電紡絲的裝置，在設(shè)備的接收裝置上設(shè)計(jì)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(gè)標(biāo)尺，這樣小的尺度肉眼是無(wú)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(xì)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(gè)隔擋。中間那個(gè)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(xì)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(lái)負(fù)載催化劑、藥物，或是達(dá)成一些特殊的設(shè)計(jì)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(dāng)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?cè)O(shè)備，把納米纖維做成纖維上面長(zhǎng)晶體的、長(zhǎng)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(lái)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(duì)比較粗。那我們能否得到納米纖維的棉花呢？當(dāng)然也可以。只要做一個(gè)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(shí)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(jiǎn)單的講起。2017年冬天，北京市空氣污染特別嚴(yán)重。有天晚上我拿儀器測(cè)了一下，PM10居然達(dá)到了兩千左右。我開始懷疑，普通口罩的防護(hù)效果可能不夠好。怎么辦？那就自己做一個(gè)。

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。基于這個(gè)原理，我們做出了防護(hù)能力高達(dá)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(shí)還提高了保護(hù)效率。在2020年春節(jié)到來(lái)時(shí)，全國(guó)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(hù)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(gè)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(dá)98%的防護(hù)口罩

下面這個(gè)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(gè)面膜，也想體會(huì)體會(huì)是什么感覺。后來(lái)發(fā)現(xiàn)挺難受的，因?yàn)檫@個(gè)面膜和我的臉形不吻合，貼著不舒服。

后來(lái)我就想，給自己做一個(gè)舒服的：用3D掃描給自己的臉形建立一個(gè)模型，打印一個(gè)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(gè)面具怎么樣，酷不酷？

在這個(gè)面具上，我們還可以打各種營(yíng)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(xì)，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(jìn)去會(huì)有什么效果呢？它將通過纖維表面的孔慢慢地釋放出來(lái)。本來(lái)你吃的藥物可能持續(xù)有效1小時(shí)，而把它放在具有孔的纖維里面，它可以在12小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)均勻地釋放出來(lái)。這就叫做藥物的緩釋。

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

我們也進(jìn)行了研究：把能夠在光照條件下產(chǎn)生殺死癌細(xì)胞的物質(zhì)裝進(jìn)納米纖維。上圖里的小點(diǎn)點(diǎn)全是癌細(xì)胞。左邊的一列沒有加入殺死癌細(xì)胞的藥物，而右邊的那列有加入。很短的一段時(shí)間后，結(jié)果是左邊的癌細(xì)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(diǎn)點(diǎn)，它們是被殺死的癌細(xì)胞。

另外還有個(gè)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(fèi)用也很高。能不能用一種簡(jiǎn)單的方法，像拿pH試紙測(cè)水的酸堿度一樣，就鑒定出血液當(dāng)中的癌細(xì)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(lái)。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(biāo)志物的抗體固定在了這個(gè)膜上。

什么是腫瘤標(biāo)記物？人體長(zhǎng)了腫瘤后，腫瘤出于生存的需要，它會(huì)代謝出一些產(chǎn)物進(jìn)入到血液中。當(dāng)檢測(cè)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(biāo)記物的蛋白固定在納米纖維膜上，同時(shí)添加了可顯色的膠體金顆粒。當(dāng)被檢樣品中含有腫瘤標(biāo)記物時(shí)，就顯示出顏色，被檢測(cè)器靈敏地捕捉到。

基于標(biāo)記物的顯色，我們又在膜上做出了一些設(shè)計(jì)。當(dāng)標(biāo)記物濃度超出正常值時(shí)，這個(gè)膜就開始顯色，從無(wú)色變成淺粉色。隨著標(biāo)記物的濃度升高，其顏色也會(huì)越來(lái)越深。這種檢測(cè)能非常簡(jiǎn)單、直觀地判斷出，病人的血清當(dāng)中是否含有過量的腫瘤標(biāo)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(dāng)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(xì)胞培養(yǎng)成組織，進(jìn)一步成長(zhǎng)為器官?，F(xiàn)在有很多相關(guān)的研究，包括肌肉細(xì)胞、心肌細(xì)胞、動(dòng)脈瓣膜、間質(zhì)干細(xì)胞、皮膚組織、骨頭、血管等等在進(jìn)行。

而組織工程培養(yǎng)細(xì)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(xì)胞的效果。

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

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

左邊16張圖展示了不同支架位置、不同種細(xì)胞生長(zhǎng)的檢測(cè)情況，顯示血管支架里面的平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)得很好。右邊是人工培養(yǎng)的血管切片，它已經(jīng)完整地長(zhǎng)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(guó)家的需求，另一部分是基于我對(duì)科研的興趣。

左邊這張圖就是我小時(shí)候，當(dāng)時(shí)我最愛看的一本書叫做《小靈通漫游未來(lái)》。小時(shí)候的我有兩個(gè)理想，第一個(gè)，是小學(xué)畢業(yè)能考上人大附中；第二個(gè)，是長(zhǎng)大以后當(dāng)海軍戰(zhàn)士，保衛(wèi)祖國(guó)。后來(lái)，我考上了人大附中，但沒當(dāng)成海軍。不過長(zhǎng)大后，我逐漸明白了，保衛(wèi)祖國(guó)不一定要當(dāng)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(guó)。

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(qiáng)？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(diǎn)，不代表格致論道講壇立場(chǎng)。