2019年4月9日，屆珞珈健康論壇在武漢國際會議中江天廳召開，中國科學(xué)院院士、武漢大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師張俐娜院士發(fā)表了《天然高分子構(gòu)建生物醫(yī)用新材料》的主題演講。本文根據(jù)現(xiàn)場張俐娜院士報告內(nèi)容整理：
非常高興能參加這次大健康論壇，說實(shí)話我才剛剛進(jìn)入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域5年左右的時間，我一直從事生物大分子的研究，我解決了生物大分子的溶解、溶液理論，分子的形態(tài)以及制造某種新材料綠色途徑的國際上的難題。但涉入醫(yī)用材料領(lǐng)域，包括天然藥物領(lǐng)域，確實(shí)時間比較短。今天在這里報告我的工作，一方面介紹一下生物醫(yī)用材料的新成果；另一方面更重要的是推進(jìn)綠色可持續(xù)的發(fā)展。我們國家把生態(tài)環(huán)境放在首位，大健康里面生態(tài)環(huán)境非常重要。
目前我在美國化學(xué)會可持續(xù)工程雜志擔(dān)任副主編，其中重要責(zé)任就是推動全球化學(xué)和工程項(xiàng)綠色和可持續(xù)發(fā)展，逐漸的取代和杜絕環(huán)境污染物質(zhì)，并利用天然產(chǎn)物制造新的材料，讓它們發(fā)揮更大的用處。我們天然高分子也就是生物子大分子的開發(fā)是剛受到重視，但是它是符合經(jīng)濟(jì)綠色發(fā)展，也是符合我們國家的戰(zhàn)略需求的。
現(xiàn)在全球的塑料污染，特別是微塑料的污染非常嚴(yán)重，已經(jīng)嚴(yán)重的損害到人體的健康。塑料廢棄物已成為”毒物”！尤其是海洋里的塑料廢棄物驚人，每年超過800萬噸的垃圾倒入海洋，如果照此下去，2050年海洋里的塑料按體積比將超過魚類，這樣對人類是會造成一個巨大威脅。全球都在重視環(huán)境可持續(xù)和綠色發(fā)展。
什么是可持續(xù)的高分子呢？主要指來自于天然的碳水化合物、多糖類等，未來我們用這些天然的動物植物生物資源，來制造新的材料，讓它們能夠取代現(xiàn)在的塑料制品。它的來源是混合的，不需要從鐳和石油中得到原料。他們使用完了以后，只要有微生物就可以降解，有溫度有水就可以降解?？墒撬麄冊谑褂玫臅r候永遠(yuǎn)不會降解。現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有法規(guī)，要禁止或者部分禁止塑料，支持這些可再生的高分子，把它做成產(chǎn)品，進(jìn)入市場給很多的稅收和政策的優(yōu)惠。世界上最豐富的可再生資源，也就是可持續(xù)大分子是什么，是纖維素！它的量是非常的豐富。第二個是甲殼素，來自蝦和蟹殼，他們是很安全的，而且永遠(yuǎn)不會枯竭，這些產(chǎn)品使用的時候不會降解，長達(dá)幾十年甚至上百年?？墒窃诤Ｑ笤谕恋乩?，就會在一個月兩個月降解。這兩種都是最頑固的大分子，很難溶解，但我們解決這個難題，并將它們加工成各種各樣的材料。
關(guān)于纖維素和甲殼素的研究，被列為國際前沿領(lǐng)域，用纖維素可以開發(fā)各種各樣的智能產(chǎn)品，包括非常剛硬的鋼鐵體積，質(zhì)量只有鋼鐵的1/6，可是它的硬度可以跟鋼鐵媲美，而且具有天然的免疫功能，科學(xué)家鼓勵利用甲殼素做成各樣各樣的新材料，下一步要做的，就是把它用在光電材料，以及各種各樣的水處理材料和載體材料等。今天主要講用纖維素和甲殼素來構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)材料，我們把這些天然高分子，通過綠色技術(shù)轉(zhuǎn)化變成生物醫(yī)用材料，這些材料可持續(xù)，不會枯竭，生物性和安全性，我相信它的市場非?？捎^。
纖維素和甲殼素很難溶解，也根本不能熔融加工，國際上把它列為最頑固的大分子。我們的新技術(shù)是是在水、尿素和氫氧化鈉的溶液里面把它溶解掉，這個被國際上稱為是一個奇跡，溶解的速度非?？?，而尿素和氫氧化鈉都是很便宜的溶劑。大家可以看到，旁邊的是沒有低溫，另外一個是低溫下的溶解。纖維素就是我們放零下12度，把紙漿扔進(jìn)去，大家可以看到，一交辦馬上就溶解了，一杯溶液大概是2分鐘時間，是世界上最快的速度，而且得到的纖維素溶液濃度是4%-8%，我們可以做各種各樣新的材料，而且這些氫氧化鈉和尿素很快的就可以移出去，得到很純凈的新材料。我們研究了它的新機(jī)理，用了很多新的測試方法，還建立了模型，證明它確實(shí)是溶解了，用一種新的低溫水體溶解，也就形成了一個包合物，同樣甲殼素是更難溶解，幾乎沒有人能夠做到4%以上的濃度，我們是個把甲殼素溶解了，而且做成材料的科研組。而且我們把纖維素、甲殼素溶解了以后，還發(fā)現(xiàn)他們可以變成納米纖維，這樣我們做的材料硬度非常高，大家可以看到，到外殼被破壞以后，就形成納米纖維，所以我們構(gòu)筑的新材料強(qiáng)度是非常高的。這就是我們的工作，一方面可以用于大健康，更重要的是可以用生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)，我們可以永遠(yuǎn)再生的天然高分子。經(jīng)過物理的溶解和物理的再生，就轉(zhuǎn)變成各種各樣的材料，他們在各個方面都很有用處。同樣的甲殼素也可以造成非常好的海洋生態(tài)環(huán)境的循環(huán)，也可以把它通過綠色的轉(zhuǎn)化，變成一些新的材料。
盡管我們進(jìn)入醫(yī)學(xué)非常短，但是我們和中南醫(yī)院，人民醫(yī)院和廣州軍區(qū)總醫(yī)院合作，已經(jīng)在國際上著名刊物發(fā)表高影響力的文章。首先我們把纖維素進(jìn)行做成了一種氣凝膠，可以讓神經(jīng)細(xì)胞在上面很好的生長。第二個我們用纖維素做成的水凝膠，因?yàn)檫@些都是醫(yī)學(xué)上安全的，我們把它做成水凝膠，把這種老鼠的坐骨神經(jīng)切斷，拿走一部分，用我們的水凝膠把它作為神經(jīng)導(dǎo)管包上，大家可以看到，3個月組織切片就修復(fù)了，到了半年，我們老鼠的功能就完全恢復(fù)了，這是切斷了坐骨神經(jīng)的老鼠，半年以后同樣可以活蹦亂跳。所以我們能夠把這些材料用的很好，是因?yàn)槲覀冇玫氖俏锢砣芙夂驮偕?，所以它完全保持了它本來的生物相容性，生活性和安全性。我們把甲殼素做成無紡布，用于全創(chuàng)口的修復(fù)，我們可以看到，上面是我們的甲殼素?zé)o紡布，下面是紗布，我們的甲殼素?zé)o紡布12天可以讓全創(chuàng)口愈合，而且?guī)缀醪涣魝?，而紗布?6天。我們已經(jīng)研究了它的機(jī)理，這種東西，能促進(jìn)膠原蛋白和血管的生成。我們又把甲殼素，就在我們的氫氧化鈉、尿素、水體系里面，連催化劑都不需要，合成了季銨鹽，我們做成了一個個的小球，放在化膿感染的傷口上，我們發(fā)現(xiàn)被細(xì)菌感染的傷口，我們發(fā)現(xiàn)可以很快的愈合，對照組就是紗布，即使沒有化膿都要好幾天才能愈合。我們也把纖維素和明膠做成海綿，我們的這種可以使創(chuàng)口愈合，因?yàn)槭勾x物質(zhì)很好的流通，空氣流通，所以能夠促進(jìn)愈合，而且促進(jìn)組織切片，促進(jìn)血管生成。我們還做了一種復(fù)合材料，就是纖維素納米纖維，雷托石甲殼素做成了一個季銨鹽多功能創(chuàng)口敷料，沒有改變化學(xué)結(jié)構(gòu)，就利用了本能的動物肢體一部分的功能，這個量是非常的大。我們還把甲殼素用于心肌細(xì)胞的生長，我們形成的是高強(qiáng)度的絲，是由納米纖維組成，所以讓心肌細(xì)胞可以很好的支撐，而且具有很高的生物相容性。我們還把這種纖維素水凝膠，全世界都做不到，我們就利用它的自聚力，形成某種形狀，所以大家看到我們的水凝膠是由納米纖維組成，可以做成各種各樣的形狀，而且有紋理，大家可以看到在體外培養(yǎng)的時候能夠很好的生長，更重要的是我們這個心肌細(xì)胞，可以在體外，這樣是很有應(yīng)用前景的。
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在這個體系上不需要催化劑就形成了纖維素的衍生物，我們做成了治愈材料，大家看到，兩塊圓片切塊，4小時愈合，12小時的強(qiáng)度就恢復(fù)到跟原來一樣的，而且更重要的是三維細(xì)胞的培養(yǎng)非常好，細(xì)胞成活率非常高。我們還用殼聚糖做了很強(qiáng)的水凝膠，在上面合成聚苯胺這些，強(qiáng)度非常大，可以對力對都有非常靈敏的響應(yīng)，非常方便，叫電子皮膚。我們還把這種甲殼素做成維球，利用容易形成納米纖維的特點(diǎn)，我們控制它，非常簡單的條件，就形成這種維球，大家可以看到從里到外都是由納米纖維均勻的組成，而且具有非常好的對細(xì)胞的黏附能力，大家可以看到成活率非常高，因?yàn)槭羌{米級的納米纖維，細(xì)胞的偽足可以非常容易黏附到上面，在上面生長，繁殖很快，幾乎沒有死細(xì)胞，所以這是非常重要的組織功能材料。同樣我們還把這種甲殼素的納米，甲殼素維球，在上面長成各種各樣的羥基磷灰石，我們把兔子的骨頭拿走使它不能自愈，把我們的這個材料填滿到里面，3個月愈合的非常好，我們還做了各種各樣的切片，對照組還是一半缺損，不能恢復(fù)。這就是我們切的片子，大家可以看到，NB是新骨性成，BM是骨髓腔形成，保持了動物的肌體一部分，保持了非常好的功能，我們可以利用我們的溶解方法，直接用它。還有可以做補(bǔ)丁，我們把他們做成塑料，在廣州軍區(qū)總醫(yī)院做了組織相容性，和降解性的實(shí)驗(yàn)，大家可以看到，母細(xì)胞可以很好的生長，存活率非常的高，而且下面的一個圖就是降解，在體內(nèi)完成了它的任務(wù)以后，就可以慢慢的降解掉，所以病人不需要動二次手術(shù)。
我們還把這種殼聚糖和卡拉膠做成水凝膠，看軟骨修復(fù)，也是醫(yī)院給我提出來，說軟骨和基建的修復(fù)是一個挑戰(zhàn)，你們能不能做，我們就試一試看看有沒有可能，我們發(fā)現(xiàn)水凝膠可以促進(jìn)軟骨修復(fù)，而且組織切片和它的細(xì)胞粘合是非常好的。我們還導(dǎo)向細(xì)胞的分散，開始我們是想做一種東西，在不能開刀的地方，讓它誘導(dǎo)癌細(xì)胞跑出來，后來我們沒有條件做那些實(shí)驗(yàn)，我們就只做了一個非常簡單的，我們把水凝膠做成了水凝膠，也有溝槽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以讓骨細(xì)胞非常好的定向生長，所以在這樣的生物醫(yī)學(xué)上也是非常有用處的。我們還把殼聚糖做成了薄膜，讓它變的硬度非常強(qiáng)，有很多取向的溝槽，做出來的強(qiáng)度也非常高。所以大家可以看到，讓骨細(xì)胞可以沿著溝槽的方向生長。
我們還做了一種血液中的膽紅素的去除，我們把甲殼素和碳納米管做成了復(fù)合維球，下一步我們準(zhǔn)備做動物實(shí)驗(yàn)，從前面做的指標(biāo)，超過了所有國內(nèi)外的指標(biāo)，但是那只是實(shí)驗(yàn)部分，需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，最后正是我們到底是好還是不好。我進(jìn)入醫(yī)學(xué)界的時間非常短，幾乎現(xiàn)在還是一個由學(xué)習(xí)到摸索的階段，但是我發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，我們的材料確實(shí)很有應(yīng)用前景。
關(guān)于張俐娜院士
張俐娜，中國科學(xué)院院士，教授，博士生導(dǎo)師?，F(xiàn)為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院教授。1940年8月生于福建光澤。1963年畢業(yè)于武漢大學(xué)化學(xué)系，1985年赴大阪大學(xué)研究一年多。2011年當(dāng)選中國科學(xué)院院士?！禖ellulose》、《Journal of Biobased Materials and Bioenergy》和《高分子學(xué)報》等編委。
致力于高分子物理與天然高分子材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，涉及高分子物化、農(nóng)業(yè)化學(xué)、環(huán)境材料和生物學(xué)交叉學(xué)科，其成果的原始創(chuàng)新性以及學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景已在國內(nèi)外產(chǎn)生較大影響。發(fā)現(xiàn)了一種嶄新的低溫溶解法，開創(chuàng)了高分子低溫溶解的技術(shù)及新機(jī)理，并已初步實(shí)行工業(yè)化試驗(yàn)；開辟了構(gòu)建基于天然高分子新材料的途徑及揭示其結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系，創(chuàng)建了無污染、價廉、生產(chǎn)周期短的人造絲和玻璃紙生產(chǎn)新方法；揭示了多糖鏈構(gòu)象及其構(gòu)效關(guān)系，可推動食品和生命科學(xué)的發(fā)展。
近十年先后主持國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國家973、863、國際合作等項(xiàng)目10多項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)約1300萬元?；A(chǔ)研究成果已在國內(nèi)外刊物發(fā)表論文410余篇，其中370篇發(fā)表在國際SCI源刊；主編專著3部；獲準(zhǔn)專利62項(xiàng)；獲省級自然科學(xué)一等獎1項(xiàng)、技術(shù)發(fā)明一等獎1項(xiàng)；獲國際上纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域的最高獎–美國化學(xué)會安塞姆·佩恩（Anselme Payen）獎。
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