新型水凝膠使防護服無需消毒重復(fù)用

以有機磷為基礎(chǔ)的神經(jīng)毒劑是人類已知毒性最強的化學物質(zhì)之一。2021年，美國西北大學的科學家開發(fā)出一種與鋯基金屬有機框架（MOFs）集成的水凝膠，可以快速降解化學戰(zhàn)中使用的有機磷類神經(jīng)毒劑。

“該研究工作在鋯-有機物分子骨架中，增加了聚乙烯亞胺環(huán)氧化物的交聯(lián)，開發(fā)出一種在通風條件下也能夠維持的水凝膠，可以近乎瞬時水解幾個典型有機磷神經(jīng)毒劑，實現(xiàn)對接觸面上的解毒，這都是在上一個2018年同類實驗基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，代表向著生產(chǎn)用于實際條件下神經(jīng)毒劑瞬時解毒的防護裝備邁出了關(guān)鍵一步?！敝袊茖W院遺傳與發(fā)育生物學研究所生物學研究中心高級工程師姜韜表示。

毒害機理類似殺蟲劑

神經(jīng)毒劑往往令人聞之色變，那么以有機磷為基礎(chǔ)的神經(jīng)毒劑是如何對人類產(chǎn)生毒害的？

對此，姜韜解釋，有機磷（Organophosphates，OPs）是一類化學殺蟲劑的統(tǒng)稱，其主要的作用是對昆蟲的乙酰膽堿酯酶（AChE）進行共價修飾，產(chǎn)生對酯酶水解乙酰膽堿的抑制作用。

“動物的神經(jīng)傳導(dǎo)依賴神經(jīng)突觸之間的神經(jīng)遞質(zhì)——乙酰膽堿與其受體的作用。正常情況下作為神經(jīng)遞質(zhì)的乙酰膽堿，在神經(jīng)突觸間起作用，乙酰膽堿由合成的細胞分泌后激活臨近的細胞表面的乙酰膽堿受體，將信號傳遞下去，并立即被乙酰膽堿酯酶水解掉，以便受體可以接受下一次釋放的乙酰膽堿激活。”姜韜說。

姜韜分析，如果乙酰膽堿酯酶與有機磷農(nóng)藥結(jié)合，導(dǎo)致活性喪失，乙酰膽堿就無法被及時去掉，突觸部位大量乙酰膽堿積累，突觸后膜的乙酰膽堿受體不斷地被激活，突觸后神經(jīng)纖維長時期處于興奮狀態(tài)。同時，突觸部位正常的神經(jīng)沖動傳導(dǎo)也就受到阻塞，中毒后的昆蟲會立即出現(xiàn)肌肉等組織的高度興奮、痙攣，最后癱瘓、死亡。

實際上，對乙酰膽堿酯酶的研究已經(jīng)有70多年的歷史，有超過2萬篇相關(guān)科學論文成果。

“人類的乙酰膽堿酯酶與昆蟲的差別還不夠大，很多有機磷殺蟲劑對人類也有神經(jīng)毒害作用，而且有可能會被皮膚吸收，這也就讓人擔心會被用于化學武器。比如，二戰(zhàn)期間被納粹德國嘗試投入生產(chǎn)的沙林毒劑就是如此?！苯w指出。

物理防護是首要防線

面對有機磷神經(jīng)毒劑，人類通常使用物理防護，藥物解毒。

姜韜解釋，人類對于有機磷農(nóng)藥的防護，首先是物理防護，比如用防毒面具，甚至全身性防護服防止毒藥的吸入及其與皮膚的接觸。

對于中毒的高等動物而言，有機磷農(nóng)藥首先毒害的是肝臟和腎臟，并帶來劇烈腹痛，同時還會毒害大腦，之后心臟機能也會受到傷害。

專家分析，有機磷農(nóng)藥可因食入吸入或經(jīng)皮膚吸收而產(chǎn)生中毒。其中小兒意外中毒較為多見，原因多為誤食被有機磷農(nóng)藥污染的食物（包括瓜果蔬菜、乳品、糧食以及被毒死的禽畜水產(chǎn)品等）；誤用沾染農(nóng)藥的玩具或農(nóng)藥容器；不恰當?shù)厥褂糜袡C磷農(nóng)藥殺滅蚊蠅、虱蚤、臭蟲、蟑螂及治療皮膚病和驅(qū)蟲；母親在使用農(nóng)藥后未認真洗手及換衣服而給嬰兒哺乳；用包裝有機磷農(nóng)藥的塑料袋做尿墊或用噴過有機磷農(nóng)藥的田頭砂土填充“土包褲”代替尿墊；在噴過有機磷農(nóng)藥的田地附近玩耍引起吸入中毒等。因此，姜韜說，我國政府農(nóng)藥主管部門，已有序禁止使用毒性較高的有機磷農(nóng)藥。

“有機磷農(nóng)藥中毒后，可以盡快使用解磷定等藥物解毒，它可以將有機磷修飾的部分再從乙酰膽堿酯上去除掉，大致恢復(fù)乙酰膽堿酯的數(shù)量和活性。不過人類的乙酰膽堿酯被相應(yīng)有機磷化合物共價修飾后的復(fù)合物會隨時間進一步發(fā)生結(jié)構(gòu)的不可逆改變，這一改變稱為老化，老化后的乙酰膽堿酯酶便無法恢復(fù)活性。如果有機磷農(nóng)藥毒性較低，劑量有限，組織沒有壞死，肌體沒有死亡，還可以靠細胞表達出新的酶分子徹底替換掉，逐漸恢復(fù)正常?！苯w說。

2018年，一個由美國陸軍化學生物專家參與的項目首次報道其系統(tǒng)地研究使用MOFs進行有機磷化合物的溶劑解的有效性。

“結(jié)果表明，使用以鋯為中心金屬的有機骨架甲醇凝膠，可以溶劑解模擬化學武器（化學戰(zhàn)劑）的幾種有機磷化合物，而不會消耗這個鋯-有機物骨架化合物，即原本作為結(jié)構(gòu)框架的鋯-有機物骨架居然同時具有對有機磷溶劑解的催化劑的作用，這應(yīng)該算是一個意外收獲。”姜韜說。

新材料便于用在防護服上

2021年，美國西北大學化學和國際納米技術(shù)研究所、美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展指揮化學生物中心以及西北大學化學和生物工程系合作發(fā)表論文，題為《鋯基金屬-有機骨架水凝膠復(fù)合材料近瞬時催化水解有機磷神經(jīng)毒劑》。

與現(xiàn)有的粉狀MOF吸附材料不同，這種水凝膠材料不需要添加水，因此更便于用在防護口罩或服裝上。西北大學化學教授、論文通訊作者Omar Farha說：“在最近的全球沖突中化學武器的使用，反映出急需個人防護裝備以及大規(guī)模銷毀化學武器儲備的緊迫性。在這項工作中，我們將MOFs和含胺交聯(lián)水凝膠整合到布料中，以建立適當?shù)奈h(huán)境，進而促進神經(jīng)毒劑的快速降解，并提供實時保護?！?/p>

雖然MOFs之前已經(jīng)證明了其在實驗室中快速分解有機磷制劑和類似模擬物質(zhì)的能力，但事實證明，這些粉末吸附劑很難直接集成到防護布中。當神經(jīng)毒素與鋯6簇結(jié)合時，通常會使粉末和纖維復(fù)合催化劑失活。這一缺陷要求使用堿性溶液來再生MOFs的催化位點，這不會阻止MOFs被用于消除儲存的化學武器，但會阻礙它們在穿戴防護裝備中的使用。

為了克服這一挑戰(zhàn)，F(xiàn)arha及同事設(shè)計了一種基于MOF的織物復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用氨基水凝膠中的水來分解神經(jīng)毒劑。

“表面含有這種水凝膠的防護服，能夠水解接觸到的有機磷制劑，意味著表面防護服不需要消毒，只需確保凝膠里的水分就可以重復(fù)使用。這相比通常的防護服必須消毒和徹底清洗并驗證后才能重復(fù)使用具有一定優(yōu)勢?！苯w解釋。

“該研究發(fā)源自金屬有機化合物化學，從20世紀60年代以來不斷發(fā)展壯大，分支出金屬有機化合物、過渡金屬有機化合物、金屬簇化合物、過渡金屬簇合物、金屬-有機骨架合物等，從純基礎(chǔ)研究，發(fā)展出了具有實用意義或潛在功能的全新分子產(chǎn)品?！苯w指出，這表明了科技發(fā)展的一個重要特點，進行基礎(chǔ)研究時不知道明天會發(fā)現(xiàn)什么，更不知道未來發(fā)展還會帶來什么，科學家研究和升級一個分子的結(jié)構(gòu)，還會帶來意外的新功能，科學與技術(shù)交相促進相得益彰，不斷獲得理論和創(chuàng)新成果。