张俐娜院士:天然高分子构建生物医用新材料

2019年4月9日,第一届珞珈健康论坛在武汉国际会议中江天厅召开,中国科学院院士、武汉大学教授、博士生导师张俐娜院士发表了《天然高分子构建生物医用新材料》的主题演讲。本文根据现场张俐娜院士报告内容整理:

非常高兴能参加这次大健康论坛,说实话我才刚刚进入到医学领域5年左右的时间,我一直从事生物大分子的研究,我解决了生物大分子的溶解、溶液理论,分子的形态以及制造某种新材料绿色途径的国际上的难题。但涉入医用材料领域,包括天然药物领域,确实时间比较短。今天在这里报告我的工作,一方面介绍一下生物医用材料的新成果;另一方面更重要的是推进绿色可持续的发展。我们国家把生态环境放在首位,大健康里面生态环境非常重要。

目前我在美国化学会可持续工程杂志担任副主编,其中重要责任就是推动全球化学和工程项绿色和可持续发展,逐渐的取代和杜绝环境污染物质,并利用天然产物制造新的材料,让它们发挥更大的用处。我们天然高分子也就是生物子大分子的开发是刚受到重视,但是它是符合经济绿色发展,也是符合我们国家的战略需求的。

现在全球的塑料污染,特别是微塑料的污染非常严重,已经严重的损害到人体的健康。塑料废弃物已成为”毒物”!尤其是海洋里的塑料废弃物惊人,每年超过800万吨的垃圾倒入海洋,如果照此下去,2050年海洋里的塑料按体积比将超过鱼类,这样对人类是会造成一个巨大威胁。全球都在重视环境可持续和绿色发展。

什么是可持续的高分子呢?主要指来自于天然的碳水化合物、多糖类等,未来我们用这些天然的动物植物生物资源,来制造新的材料,让它们能够取代现在的塑料制品。它的来源是混合的,不需要从镭和石油中得到原料。他们使用完了以后,只要有微生物就可以降解,有温度有水就可以降解。可是他们在使用的时候永远不会降解。现在发达国家已经有法规,要禁止或者部分禁止塑料,支持这些可再生的高分子,把它做成产品,进入市场给很多的税收和政策的优惠。世界上最丰富的可再生资源,也就是可持续大分子是什么,是纤维素!它的量是非常的丰富。第二个是甲壳素,来自虾和蟹壳,他们是很安全的,而且永远不会枯竭,这些产品使用的时候不会降解,长达几十年甚至上百年。可是在海洋在土地里,就会在一个月两个月降解。这两种都是最顽固的大分子,很难溶解,但我们解决这个难题,并将它们加工成各种各样的材料。

关于纤维素和甲壳素的研究,被列为国际前沿领域,用纤维素可以开发各种各样的智能产品,包括非常刚硬的钢铁体积,质量只有钢铁的1/6,可是它的硬度可以跟钢铁媲美,而且具有天然的免疫功能,科学家鼓励利用甲壳素做成各样各样的新材料,下一步要做的,就是把它用在光电材料,以及各种各样的水处理材料和载体材料等。今天主要讲用纤维素和甲壳素来构建生物医学材料,我们把这些天然高分子,通过绿色技术转化变成生物医用材料,这些材料可持续,不会枯竭,生物性和安全性,我相信它的市场非常可观。

纤维素和甲壳素很难溶解,也根本不能熔融加工,国际上把它列为最顽固的大分子。我们的新技术是是在水、尿素和氢氧化钠的溶液里面把它溶解掉,这个被国际上称为是一个奇迹,溶解的速度非常快,而尿素和氢氧化钠都是很便宜的溶剂。大家可以看到,旁边的是没有低温,另外一个是低温下的溶解。纤维素就是我们放零下12度,把纸浆扔进去,大家可以看到,一交办马上就溶解了,一杯溶液大概是2分钟时间,是世界上最快的速度,而且得到的纤维素溶液浓度是4%-8%,我们可以做各种各样新的材料,而且这些氢氧化钠和尿素很快的就可以移出去,得到很纯净的新材料。我们研究了它的新机理,用了很多新的测试方法,还建立了模型,证明它确实是溶解了,用一种新的低温水体溶解,也就形成了一个包合物,同样甲壳素是更难溶解,几乎没有人能够做到4%以上的浓度,我们是第一个把甲壳素溶解了,而且做成材料的科研组。而且我们把纤维素、甲壳素溶解了以后,还发现他们可以变成纳米纤维,这样我们做的材料硬度非常高,大家可以看到,到外壳被破坏以后,就形成纳米纤维,所以我们构筑的新材料强度是非常高的。这就是我们的工作,一方面可以用于大健康,更重要的是可以用生态环境的良性循环,我们可以永远再生的天然高分子。经过物理的溶解和物理的再生,就转变成各种各样的材料,他们在各个方面都很有用处。同样的甲壳素也可以造成非常好的海洋生态环境的循环,也可以把它通过绿色的转化,变成一些新的材料。

尽管我们进入医学非常短,但是我们和中南医院,人民医院和广州军区总医院合作,已经在国际上著名刊物发表高影响力的文章。首先我们把纤维素进行做成了一种气凝胶,可以让神经细胞在上面很好的生长。第二个我们用纤维素做成的水凝胶,因为这些都是医学上安全的,我们把它做成水凝胶,把这种老鼠的坐骨神经切断,拿走一部分,用我们的水凝胶把它作为神经导管包上,大家可以看到,3个月组织切片就修复了,到了半年,我们老鼠的功能就完全恢复了,这是切断了坐骨神经的老鼠,半年以后同样可以活蹦乱跳。所以我们能够把这些材料用的很好,是因为我们用的是物理溶解和再生,所以它完全保持了它本来的生物相容性,生活性和安全性。我们把甲壳素做成无纺布,用于全创口的修复,我们可以看到,上面是我们的甲壳素无纺布,下面是纱布,我们的甲壳素无纺布12天可以让全创口愈合,而且几乎不留伤疤,而纱布要16天。我们已经研究了它的机理,这种东西,能促进胶原蛋白和血管的生成。我们又把甲壳素,就在我们的氢氧化钠、尿素、水体系里面,连催化剂都不需要,合成了季铵盐,我们做成了一个个的小球,放在化脓感染的伤口上,我们发现被细菌感染的伤口,我们发现可以很快的愈合,对照组就是纱布,即使没有化脓都要好几天才能愈合。我们也把纤维素和明胶做成海绵,我们的这种可以使创口愈合,因为使代谢物质很好的流通,空气流通,所以能够促进愈合,而且促进组织切片,促进血管生成。我们还做了一种复合材料,就是纤维素纳米纤维,雷托石甲壳素做成了一个季铵盐多功能创口敷料,没有改变化学结构,就利用了本能的动物肢体一部分的功能,这个量是非常的大。我们还把甲壳素用于心肌细胞的生长,我们形成的是高强度的丝,是由纳米纤维组成,所以让心肌细胞可以很好的支撑,而且具有很高的生物相容性。我们还把这种纤维素水凝胶,全世界都做不到,我们就利用它的自聚力,形成某种形状,所以大家看到我们的水凝胶是由纳米纤维组成,可以做成各种各样的形状,而且有纹理,大家可以看到在体外培养的时候能够很好的生长,更重要的是我们这个心肌细胞,可以在体外,这样是很有应用前景的。
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在这个体系上不需要催化剂就形成了纤维素的衍生物,我们做成了治愈材料,大家看到,两块圆片切块,4小时愈合,12小时的强度就恢复到跟原来一样的,而且更重要的是三维细胞的培养非常好,细胞成活率非常高。我们还用壳聚糖做了很强的水凝胶,在上面合成聚苯胺这些,强度非常大,可以对力对都有非常灵敏的响应,非常方便,叫电子皮肤。我们还把这种甲壳素做成维球,利用容易形成纳米纤维的特点,我们控制它,非常简单的条件,就形成这种维球,大家可以看到从里到外都是由纳米纤维均匀的组成,而且具有非常好的对细胞的黏附能力,大家可以看到成活率非常高,因为是纳米级的纳米纤维,细胞的伪足可以非常容易黏附到上面,在上面生长,繁殖很快,几乎没有死细胞,所以这是非常重要的组织功能材料。同样我们还把这种甲壳素的纳米,甲壳素维球,在上面长成各种各样的羟基磷灰石,我们把兔子的骨头拿走使它不能自愈,把我们的这个材料填满到里面,3个月愈合的非常好,我们还做了各种各样的切片,对照组还是一半缺损,不能恢复。这就是我们切的片子,大家可以看到,NB是新骨性成,BM是骨髓腔形成,保持了动物的肌体一部分,保持了非常好的功能,我们可以利用我们的溶解方法,直接用它。还有可以做补丁,我们把他们做成塑料,在广州军区总医院做了组织相容性,和降解性的实验,大家可以看到,母细胞可以很好的生长,存活率非常的高,而且下面的一个图就是降解,在体内完成了它的任务以后,就可以慢慢的降解掉,所以病人不需要动二次手术。

我们还把这种壳聚糖和卡拉胶做成水凝胶,看软骨修复,也是医院给我提出来,说软骨和基建的修复是一个挑战,你们能不能做,我们就试一试看看有没有可能,我们发现水凝胶可以促进软骨修复,而且组织切片和它的细胞粘合是非常好的。我们还导向细胞的分散,开始我们是想做一种东西,在不能开刀的地方,让它诱导癌细胞跑出来,后来我们没有条件做那些实验,我们就只做了一个非常简单的,我们把水凝胶做成了水凝胶,也有沟槽,结果发现可以让骨细胞非常好的定向生长,所以在这样的生物医学上也是非常有用处的。我们还把壳聚糖做成了薄膜,让它变的硬度非常强,有很多取向的沟槽,做出来的强度也非常高。所以大家可以看到,让骨细胞可以沿着沟槽的方向生长。

我们还做了一种血液中的胆红素的去除,我们把甲壳素和碳纳米管做成了复合维球,下一步我们准备做动物实验,从前面做的指标,超过了所有国内外的指标,但是那只是实验部分,需要经过实验,最后正是我们到底是好还是不好。我进入医学界的时间非常短,几乎现在还是一个由学习到摸索的阶段,但是我发现,在医学领域,我们的材料确实很有应用前景。

关于张俐娜院士

张俐娜,中国科学院院士,教授,博士生导师。现为武汉大学化学与分子科学学院教授。1940年8月生于福建光泽。1963年毕业于武汉大学化学系,1985年赴大阪大学研究一年多。2011年当选中国科学院院士。《Cellulose》、《Journal of Biobased Materials and Bioenergy》和《高分子学报》等编委。

致力于高分子物理与天然高分子材料的基础和应用研究,涉及高分子物化、农业化学、环境材料和生物学交叉学科,其成果的原始创新性以及学术价值和应用前景已在国内外产生较大影响。发现了一种崭新的低温溶解法,开创了高分子低温溶解的技术及新机理,并已初步实行工业化试验;开辟了构建基于天然高分子新材料的途径及揭示其结构与性能之间的构效关系,创建了无污染、价廉、生产周期短的人造丝和玻璃纸生产新方法;揭示了多糖链构象及其构效关系,可推动食品和生命科学的发展。

近十年先后主持国家自然科学基金重点项目、国家973、863、国际合作等项目10多项,总经费约1300万元。基础研究成果已在国内外刊物发表论文410余篇,其中370篇发表在国际SCI源刊;主编专著3部;获准专利62项;获省级自然科学一等奖1项、技术发明一等奖1项;获国际上纤维素与可再生资源材料领域的最高奖–美国化学会安塞姆·佩恩(Anselme Payen)奖。

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