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    那些堪當(dāng)大用的“奇材”

    2015-07-28 05:51:23翟萬銀
    時事報告 2015年5期
    關(guān)鍵詞:甲殼素磷灰石高分子

    翟萬銀

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    那些堪當(dāng)大用的“奇材”

    翟萬銀

    材料是人類生產(chǎn)生活的物質(zhì)基礎(chǔ)。從某種意義上說,未來世界會變成什么樣,人們將過上怎樣的生活,都和材料的發(fā)展有著密切的關(guān)系。下面,我們來看看即將投入使用并可能改變?nèi)祟惿畹膸状蟆捌娌摹薄?/p>

    新型甲骨——再續(xù)文明數(shù)千年

    文字發(fā)明以后,人類將信息記錄在動物的骨頭上,形成甲骨文。甲骨文是鐫刻或?qū)懺邶敿缀瞳F骨上的文字。有趣的是,龜甲和獸骨的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu)與人體骨骼相同,都是羥基磷灰石。人類的活動常與事故和疾病相伴。為修復(fù)人體因各種事故、病損、脫落所造成的骨缺損,近20年來全世界有大量科學(xué)家投入研究,人工合成、修飾、加工羥基磷灰石,期望能解除傷者和患者的痛苦。由于天然骨的羥基磷灰石有特殊的納米結(jié)構(gòu),科學(xué)家需要合成納米級羥基磷灰石。在此基礎(chǔ)上,才能仿生制備有活性的人工骨,幫助骨骼迅速恢復(fù)健康。

    中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家朱英杰教授,在用水熱法探索廉價、快速、大量合成羥基磷灰石的研究中,偶然發(fā)現(xiàn)得到的納米羥基磷灰石又細(xì)又長。當(dāng)時朱英杰教授就產(chǎn)生一個大膽的設(shè)想,可否合成大量又長又細(xì)(保持納米級直徑)的納米線,像紙漿纖維那樣做成大片紙張呢?這樣醫(yī)生可以剪取任意大小、任意形狀的紙片,任意疊加厚度,方便輕松地修補(bǔ)奇形怪狀的骨缺損,也許可以就此解決羥基磷灰石臨床應(yīng)用的最后一道難題。

    于是朱英杰教授調(diào)整配方,輔以超聲波控制合成過程,終于合成長納米線,制造出羥基磷灰石紙。這種紙又白又軟,可折疊,不含任何有機(jī)成分,耐腐蝕,零污染。尤為奇特的是它不怕火,1000℃以上的火焰燒烤,上面書寫的文字也不會消失——這不是人類書寫的最好載體嗎?!

    不過,這種羥基磷灰石紙暫時與人體細(xì)胞的“關(guān)系”不太好,細(xì)胞不太愿意待在紙上繁衍生息,為主人連接骨頭修復(fù)損傷。這讓朱教授頗感沮喪。不過,在發(fā)明了與甲骨成分和結(jié)構(gòu)相同的新型書寫載體的成就面前,小小沮喪又何妨?要給后世,比如3000年后的人類,留下今人輝煌的文明,恐怕還是把信息書寫于現(xiàn)代甲骨——柔軟、耐火、永遠(yuǎn)潔白的羥基磷灰石紙上更好。

    二維膜——電子飛馳的超高速公路

    如果你的手機(jī)充電幾小時后動不動就死機(jī),或是熱得燙手,問題就出在承載信息傳輸?shù)碾娮拥碾s亂運(yùn)動。電子每次互相碰撞一下都會產(chǎn)生熱。電子器件內(nèi)紛繁復(fù)雜的電路里,電子產(chǎn)生的廢熱必須及時地、迅速地傳導(dǎo)出去,否則就會損傷電路。

    如果有一種材料在傳導(dǎo)電子的時候沒有任何阻力,不產(chǎn)生任何熱,也就沒有上述煩惱了。美國斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家張首晟教授于2007年在世界上首次合成了一類叫拓?fù)浣^緣體的奇特材料:內(nèi)部是絕緣材料,表面卻能導(dǎo)電,而且電子可以完全自由移動。不過,拓?fù)浣^緣體上的電子傳導(dǎo)也不十分規(guī)矩,電子在材料的表面也時常做“回轉(zhuǎn)滑雪運(yùn)動”,因而還會有散熱的煩惱。為解決這個問題,張首晟教授設(shè)法制作了一種特別的膜——單層錫原子膜。它只有一層原子構(gòu)成,薄得不能再薄了,科學(xué)家稱之為二維膜。結(jié)果,電子們聽話了,乖乖地沿跑道直線前進(jìn)。

    不過,現(xiàn)在要大量做出真正的單層錫原子膜產(chǎn)品為時尚早,假如單層錫原子膜能做出來,實現(xiàn)表面100%導(dǎo)電效率,就會迅速應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。張首晟教授說:“這一天,樂觀地估計要5年時間,客觀地估計要10年時間。”

    蝦絲——橫掃世界的塑料終結(jié)者

    無論你喜歡也好,不喜歡也罷,人類現(xiàn)在還擺脫不了對塑料的依賴。目前世界上少量可生物降解的塑料都是以植物纖維素制成的。雖然植物纖維素是自然界最豐富的有機(jī)高分子化合物,但它們價格高昂,科學(xué)家花了近半個世紀(jì)的時間努力改進(jìn)技術(shù)以降低成本,也只能使植物源可降解塑料達(dá)到1%的市場占有率。

    就在大家?guī)捉倚牡臅r候,甲殼素閃現(xiàn)了希望的光芒。甲殼素廣泛存在于蝦、蟹、昆蟲等動物的外殼中,是地球上含量第二豐富的天然有機(jī)高分子。美國哈佛大學(xué)仿生工程研究所的英格伯和弗南德茲將甲殼素與蜘蛛絲蛋白結(jié)合,制成了不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)材料。我們姑且叫它蝦絲吧。

    蝦絲擁有多項優(yōu)點(diǎn):不會燃燒,有希望用作阻燃劑;堅韌度勝過其原材料甲殼素,還可通過調(diào)節(jié)含水量而調(diào)高或調(diào)低;可塑性堪比鋁合金,容易鑄模成型;蝦絲制作的東西容易降解,東西一旦用壞了,扔在潮濕的地方,幾星期后微生物就能將其變成一堆肥料。

    英格伯和弗南德茲正在尋找投資,以幫助進(jìn)一步降低蝦絲的應(yīng)用成本。蝦絲如能在可塑性上更進(jìn)一步,將令其他材料望塵莫及。于是,這對科研搭檔將目光轉(zhuǎn)向了殼聚糖——一種從甲殼素轉(zhuǎn)化來的成分。他們用殼聚糖改進(jìn)的蝦絲為原料,以生產(chǎn)塑料制品的常用方法成功地制造了一副國際象棋,驗證了蝦絲的實用性。他們希望以此代替塑料,制造各種精致的日用品,如便宜的兒童玩具、各種瓶子、手機(jī)零部件等。

    自我修復(fù)的高分子材料——能再生的材料

    想象一下:汽車能自我修復(fù)刮痕,不需再次噴漆,不用織補(bǔ)沙發(fā)座椅;大橋不會老舊,橋墩和橋梁能自我翻新;飛機(jī)的機(jī)翼和機(jī)身能不斷自我更新,永不磨損和銹蝕,乘坐永遠(yuǎn)舒適、安全。

    這些夢想對于美國工程師斯科特·懷特來說,不算是遙不可及的夢想。他是最早研究具有自我修復(fù)能力的高分子材料的科學(xué)家之一。時間追溯到2001年,懷特研制了一種類似塑料的材料。它由很多微型膠囊構(gòu)成,一旦某處出現(xiàn)裂痕或空洞,里面的微型膠囊就會破裂,向破損處釋放具有修復(fù)作用的試劑,使材料再次聚合,裂痕得到修復(fù)。懷特將這項技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,做成涂層,用來保護(hù)各種設(shè)備,從橋梁到直升機(jī)旋翼,使其免遭惡劣環(huán)境的侵害。

    真正商業(yè)化的自我修復(fù)高分子材料目前并不多見,不過,一些實驗室研發(fā)的新材料,已經(jīng)顯示出自我修復(fù)的潛力。一種叫聚六氫三嗪的高分子材料(PTH),既可以是固體,也可以是液態(tài)膠水,與碳納米管等超強(qiáng)材料化合在一起,可以替代金屬做汽車的零配件,也可以用來生產(chǎn)特殊的指甲油。這種指甲油女士僅需涂一次,以后就不用再涂,因為它不會褪色,不怕磨損。

    目前絕大多數(shù)自我修復(fù)高分子材料只能修復(fù)很小的裂紋或凹痕,寬度大概100微米,相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。2014年初,懷特的研究團(tuán)隊宣布發(fā)明了一種可修復(fù)3厘米寬裂痕的材料。這種材料內(nèi)布滿很細(xì)的管道,里面含有化學(xué)前體物質(zhì):一種黏性物質(zhì)能迅速凝結(jié)而堵住裂縫,彈性高分子物質(zhì)則起到加固作用。目前這種材料實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)還有很長的路要走。不過,只要科學(xué)家努把力,再加上些研究經(jīng)費(fèi),10年內(nèi)有可能造出第一種實用的修復(fù)大尺寸裂紋的自我修復(fù)材料。

    人工骨髓——白血病患者的希望

    眾所周知,骨髓既是人體重要的造血器官,又是重要的免疫器官。骨髓從胚胎期第4個月開始從肝、脾接過造血的接力棒,到第5個月就基本成了造血中心。如此重要的器官,一旦發(fā)生病變,問題就很嚴(yán)重。白血病發(fā)病率居我國腫瘤發(fā)病率的第六位,大部分患者還是要依賴骨髓干細(xì)胞移植治療,而骨髓干細(xì)胞移植深為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)所頭疼:尋找供體、配型、捐獻(xiàn)、控制排異反應(yīng)等,每個方面都很復(fù)雜,而且配型吻合者寥寥。

    德國圖賓根大學(xué)的科學(xué)家考慮,可否研制人工骨髓用于白血病患者的移植呢?這一想法的關(guān)鍵是模仿造血干細(xì)胞生存的復(fù)雜微環(huán)境,涉及特殊材料和特殊結(jié)構(gòu)。骨髓中造血區(qū)域的骨頭高度疏松,類似海綿,這種環(huán)境不僅調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞和骨髓細(xì)胞,而且能實現(xiàn)多種類型細(xì)胞之間信號物質(zhì)的高效交換。因此,研制人工骨髓既要模仿骨髓的硬環(huán)境,又要模仿其他細(xì)胞(造血干細(xì)胞之外的)組成的軟環(huán)境。

    研究人員在乙二醇液體中加入很細(xì)的食鹽,讓乙二醇聚合成半軟半硬的狀態(tài),再放入水中使食鹽溶解,留下食鹽顆粒原來所占的空間,模仿出多孔如海綿的松質(zhì)骨結(jié)構(gòu)。為了讓這個人工松質(zhì)骨更容易吸附細(xì)胞,他們在聚乙二醇上連接特殊的氨基酸片段,模擬細(xì)胞與松質(zhì)骨間的界面。最后,將造血干細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞混合,一起種入人工松質(zhì)骨,組裝成人工骨髓。骨髓干細(xì)胞及其后代能分泌多種化學(xué)物質(zhì),構(gòu)成造血干細(xì)胞需要的化學(xué)微環(huán)境。經(jīng)過10天培養(yǎng),一切如愿,造血干細(xì)胞的數(shù)量和比例大大提升。這種人工骨髓不僅為白血病的治療提供新思路、新希望,也為揭示天然骨髓的一系列特性奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

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