吴大勇丨从口罩制作到癌症筛查，纳米纤维的作用如此强大

一毫米这样短的距离，

其实能够摆放二十根头发。

那一毫米能够摆放多少根纳米纤维呢？

大概是一两万根。

大家好，我是吴大勇，来自中科院理化所。今天，我为大家带来的科普讲座题目是《奇妙的纳米纤维》。

在开始讲述纳米纤维之前，我想先给大家提两个问题：自然界中纤维有哪些？有没有人工合成的纤维呢？

在生活中，我们最常见的生物纤维其实是棉花。我们穿的衣服、盖的被子都是由棉花纤维做成的，还有以前我们洗碗用的丝瓜络，这些都是植物、作物中的植物纤维。在动物纤维里，羊毛和我们的生活最密切相关，还有就是蚕丝。我们人体有没有纤维呢？有的，就是头发。

人工合成的纤维大家可能听说过腈纶和莫代尔，还有我们的衣服里面增加弹性的纤维叫莱卡。

其实，纤维是无处不在的，它指的就是连续或者不连续的细丝状的物质。纳米则是个长度单位，它是一毫米的百万分之一。一毫米这样短的距离，其实能够摆放二十根头发。那一毫米能够摆放多少根纳米纤维呢？大概是一两万根。直径在纳米尺度的纤维，我们就称之为纳米纤维。

当材料的尺寸到达纳米量级的时候，它就会出现和以往不一样的特性。而这些特性往往又是非常重要的。这就是为什么我们要去研究纳米纤维。

首先，我们要看一看这么细的纳米纤维是如何做出来的。

制造出它的技术叫做静电纺丝。这并不是一项新技术，它在1934年被发明出来，已经是八十多年前了。其原理很简单，用一个管子把高分子溶液输送到金属的喷头里，这个金属喷头很细，大概和医院打针的针头差不多。把这个喷头连上直流的高压电，然后在它对面放一个金属的接收装置，这个装置可以是平板的或者其他形状的。于是，喷头和接收装置之间就产生了高压电场。高压电场之间有静电力，就可以把聚合物的溶液拉成细丝。

大家可以看到，当电源打开时，针头处有一个液滴被逐渐地拉长，然后突然喷射了出去。喷出来的丝细吗？当然细，因为它是纳米级的。细心的你可能会问，出来的应该是一根螺旋状的细丝，但为什么我们看到的是一下子喷出了的团状呢？这是因为我们的眼睛没那么快，捕捉得不够清楚。如果用高速摄像机把这个过程重复一遍，我们就能知道答案。

请大家观看上面的这个动画。它的时间是14点28分12秒多。我们可以看到，有一根丝的末端在作螺旋状鞭动。这第12秒之所以过得那么长，就是因为这是用超高速摄像机来拍摄的。这个视频时长16秒钟，但拍摄它仅仅耗时0.3秒。也就是说，这个视频被放慢了五百多倍，这样我们就能看清楚它的产生过程。

静电纺丝的过程非常奇妙。一滴高分子溶液放在电场里面，电场力就会把它拉长、再变尖、继续拉长，形成一个圆锥，最后有一根细细的纳米射流喷出。当纳米射流稳定后，这个小的圆锥会往回缩，形成稳定的状态。这个锥状的学术名称叫做泰勒锥。这个过程具备很多非常显著的力学特点，有电场力包括电荷之间的斥力，重力，还符合弹簧的力学特征。

下面这是十年前，我和我的同事们制作的一条静电纺丝的生产线。

它全长有五十多米，里面集成了四十多个喷头组，每一个喷头组都有十几个喷头。而一开始的原理装置只有一个喷头，效率比较低。我们做科学研究的人，想把一项科学技术持续地发展下去，让它具有生命力和实用性，就需要发挥聪明才智，来创造、推动它的发展。

静电纺丝技术不止有一个流派。这是欧洲捷克的科学家发明的制造纳米纤维的机器，他们非常骄傲地把它称之为“纳米蜘蛛”。这也是一种纳米纤维产生的过程，它和我们使用的方法不一样。最显著的差别是我们的装置有喷头，它没有喷头，而是用一根金属丝。视频中往复移动的装置就是给金属丝补充原料的。

这两种方法各有千秋，但“纳米蜘蛛”还是有缺点的。第一，它的原料供应并不是连续的，所以丝的长度有限；第二，它只能从下往上喷。

我们的针状喷头的静电纺丝装置还有一项独门绝技：它可以制造出很多形状特殊的纳米纤维。比如，上图左侧就是用针头喷成的，但这些纤维沉积在我们的收集装置上，它们的排布是没有规律的，能不能让它们有规律呢？这很难，但也有方法可以做到。如果我们用两个平行电极搭成接收装置，这样产生的纳米纤维就能够平行排布（上图右上）。如果把这个接收电极做成交叉的呢？那么接收到的纳米材料就能组成交叉的结构（上图右下）。

当然，它也可以被编织出其它的结构和形状，但有一个前提：我们需要很好地设计出接收装置的电极。十几年前，我和我的团队做了一个静电纺丝的装置，在设备的接收装置上设计了很多的网纹，得到了上图渔网状结构的纤维膜。

这些图片展示的也是针式静电纺丝的绝技。每张图下面有一个标尺，这样小的尺度肉眼是无法分辨的，用扫描电镜才能够看得到，这就是纤维的微观结构。左边非常细的纤维是中空的，像一根管子，纤维内居然还可以植入三个隔挡。中间那个就更了不起了，几百纳米直径的小管中间，居然还能植入一根更细的纤维。右边的那根表面有很多孔，它具有多孔结构且十分疏松，可以被用来负载催化剂、药物，或是达成一些特殊的设计用途。

另外，假如我们把很多种颜料混合在一起，注入到静电纺丝的喷头当中，就可以得到上图这样，五彩斑斓的、缠绕在一起的漂亮纤维。

如果有更多奇思妙想，我们还可以改变制备方法、改变设备，把纳米纤维做成纤维上面长晶体的、长棒状的结构。我们甚至可以在非常微小的维度中，做出这样格状特殊的膜材料；甚至可以用静电纺丝来制造人工的血管。

结构的样式还有很多，而受限的只是我们的想象力。只要发挥聪明才智，创新方法，就可以得到很多神奇的东西。日常生活中，棉花是很常见的，但它的纤维相对比较粗。那我们能否得到纳米纤维的棉花呢？当然也可以。只要做一个上图这样的、特别的静电纺丝装置，就可以纺出棉桃状的东西。

前面介绍了纳米纤维的基础知识和制备方法，下面我想分享一下怎么围绕纳米纤维做科学研究。

先从简单的讲起。2017年冬天，北京市空气污染特别严重。有天晚上我拿仪器测了一下，PM10居然达到了两千左右。我开始怀疑，普通口罩的防护效果可能不够好。怎么办？那就自己做一个。

于是，我们做出了纳米纤维作为过滤材料的口罩。纳米纤维它上面是带电荷的，而那些污染性的PM2.5、PM10，往往也是带电荷的。不同种的电荷相吸，就能把污染物颗粒固定、捕获住。基于这个原理，我们做出了防护能力高达98%的口罩。它比一般的口罩更轻，透气性更好，戴着也不闷，同时还提高了保护效率。在2020年春节到来时，全国哪里都买不到口罩，而我们那里还有这么多好口罩。于是我们就把这些防护口罩分给了大家，分给了需要帮助的人。在疫情中，我们用这个小小的口罩帮助了上千人。

▲ 利用纳米纤维吸附带电颗粒的性质

过滤效率高达98%的防护口罩

下面这个故事更有意思，我用3D打印制作了纳米纤维的面膜。为什么要干这件事情呢？有一次，我在家里面偷偷往自己脸上敷了个面膜，也想体会体会是什么感觉。后来发现挺难受的，因为这个面膜和我的脸形不吻合，贴着不舒服。

后来我就想，给自己做一个舒服的：用3D扫描给自己的脸形建立一个模型，打印一个硬模，然后用静电纺丝的方法在硬模上给我自己制作面膜。大家看这个面具怎么样，酷不酷？

在这个面具上，我们还可以打各种营养物质、治病的药物等等，非常的好。

刚才提到，纳米纤维虽然细，但可以变成中空的，可以在表面上有孔。基于这种条件，把药物装进去会有什么效果呢？它将通过纤维表面的孔慢慢地释放出来。本来你吃的药物可能持续有效1小时，而把它放在具有孔的纤维里面，它可以在12小时或更长时间内均匀地释放出来。这就叫做药物的缓释。

还有一个很有趣的技术：既然药物能够装进纳米纤维，那我们能不能拿这样的纳米纤维杀死癌细胞呢？

我们也进行了研究：把能够在光照条件下产生杀死癌细胞的物质装进纳米纤维。上图里的小点点全是癌细胞。左边的一列没有加入杀死癌细胞的药物，而右边的那列有加入。很短的一段时间后，结果是左边的癌细胞更多，这说明右侧的药物起了作用。右下图里还有一些红色的小点点，它们是被杀死的癌细胞。

另外还有个非常有意思的研究。癌症是威胁人类健康的一大杀手，而医院的癌症筛查很麻烦，费用也很高。能不能用一种简单的方法，像拿pH试纸测水的酸碱度一样，就鉴定出血液当中的癌细胞呢？

▲ 下侧为纳米纤维膜基底

我们经过三年多的努力，终于发明了出来。首先，我们做出了有非常多孔隙的纳米纤维膜。这就是放大很多倍后的纤维膜，可以看到纤维上有很多的孔。然后，我们把能够捕获肿瘤标志物的抗体固定在了这个膜上。

什么是肿瘤标记物？人体长了肿瘤后，肿瘤出于生存的需要，它会代谢出一些产物进入到血液中。当检测到代谢产物的浓度超过正常范围后，我们就能发现人体内有了肿瘤。

于是，我们把捕获肿瘤标记物的蛋白固定在纳米纤维膜上，同时添加了可显色的胶体金颗粒。当被检样品中含有肿瘤标记物时，就显示出颜色，被检测器灵敏地捕捉到。

基于标记物的显色，我们又在膜上做出了一些设计。当标记物浓度超出正常值时，这个膜就开始显色，从无色变成浅粉色。随着标记物的浓度升高，其颜色也会越来越深。这种检测能非常简单、直观地判断出，病人的血清当中是否含有过量的肿瘤标记物。近两年我们也有和医院合作，希望把研究成果推广到临床应用当中去。

有一种叫组织工程的科学研究，是用人工的方法把细胞培养成组织，进一步成长为器官。现在有很多相关的研究，包括肌肉细胞、心肌细胞、动脉瓣膜、间质干细胞、皮肤组织、骨头、血管等等在进行。

而组织工程培养细胞最理想的介质是什么呢？答案就是静电纺丝制作的纳米纤维，没有材料比它更好、更合适了。上方视频就是我们做的纳米纤维培养细胞的效果。

另外，我们也在实验室里用纳米纤维做成了管状的支架，培养平滑肌细胞和血管内皮细胞来模拟血管。

人体的血管是由平滑肌细胞和内皮细胞组成的，而且有很多层。我们需要在不同层里做出支架来培养不同的细胞，在把它们卷在一个管里，来模拟真实的血管。

左边16张图展示了不同支架位置、不同种细胞生长的检测情况，显示血管支架里面的平滑肌细胞和内皮细胞生长得很好。右边是人工培养的血管切片，它已经完整地长成了环形。

说到底，为什么我们要研究纳米纤维呢？究其原因，一部分是基于国家的需求，另一部分是基于我对科研的兴趣。

左边这张图就是我小时候，当时我最爱看的一本书叫做《小灵通漫游未来》。小时候的我有两个理想，第一个，是小学毕业能考上人大附中；第二个，是长大以后当海军战士，保卫祖国。后来，我考上了人大附中，但没当成海军。不过长大后，我逐渐明白了，保卫祖国不一定要当战士，做科学家一样可以。我们研究新的技术、武器，照样可以保卫祖国。

在电影《蜘蛛侠》里，主角一伸手就能喷出纤维。我就想：这是纳米纤维吗？为什么那么强？我们有没有可能造出这样的材料？我希望大家都能够保持一颗好奇的心，有勇于探索的精神，去创造属于你们的那份光荣。

我的演讲就到这里，谢谢！

- END -

文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。