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助力新冠肺炎防治清华团队借用果木嫁接概念研发安全耐洗抗病毒抗

浏览数:  发表时间:2022-06-27  

  通常来说,病毒没有自我复制的能力,不能在环境中长时间存在。然而,新型冠状病毒大大突破了这一传统的认知。

  今年 1 月,日本京都府立医科大学的研究人员称,奥密克戎毒株能够在塑料表面存活 8 天之久。前不久,复旦大学基础医学部科研团队有类似的研究发现:22 摄氏度下,新冠毒株能够在不锈钢和塑料袋表面保持 3 天的活性,在无纺布表面维持 1 天的活性;4 摄氏度的低温下,新冠毒株可在不锈钢表面维持 9 天的传染力,在无纺布和塑料袋表面维持 12 天。而且,近期已发生了多起疑似由快递、外卖导致的新冠传播事件。

  因此,材料表面的抗病毒处理是一个值得研究的问题。例如,服装作为人类的第二皮肤,很容易在暴露于某种微生物环境时携带到病毒和细菌,但又难以进行有效且安全的消杀处理。若使用具有抗病毒抗菌功能的纺织面料来制作服装,将在一定程度上阻止病毒和细菌的传播。

  近日,清华大学天津高端装备研究院的功能高分子首席专家研究员带领团队,利用电子束接枝改性技术,开发了一种能够广谱消杀新型冠状病毒等包膜类病毒及各种细菌的抗病毒抗菌功能纺织面料,将其用于个人服装及家居纺织用品的制作,有望助力新冠疫情抗击行动早日迎来最终的胜利,为健康中国战略目标添砖加瓦。

  值得一提的是,该团队 3 月还拿到了中国最高级别生物安全实验室的权威检测报告,证实其电子束接枝技术能够有效对抗新冠原始毒株与奥密克戎毒株。根据国际公认的抗病毒纺织品标准,抗病毒率超过 99% 可以称为有效;检测结果显示,他们所制备的抗病毒抗菌纺织品对于新冠病毒达到了 99.89% 的抗病毒率,完全符合国际标准的要求。

  据悉,在此之前,研究人员还针对流感病毒 H3N2 以及常见的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和白色念珠菌等微生物开展了测试工作,并取得了理想的效果。

  与传统的面料功能性改造方法不同,该团队采用电子束接枝改性技术来完成抗病毒抗菌的功能处理,其关键在于让纤维大分子与功能分子之间完全形成牢固的共价键链接。

  这里的高分子化学术语 接枝改性 ,其实是借用了园艺学中的 果木嫁接 概念。通过果木嫁接技术,人们可以把两个品种不同的植株结合起来,获得新的优势互补植株;而接枝改性就是在分子层面进行果木嫁接,先利用电子束来切开纤维素大分子,再将若干个功能分子枝杈 武装 到这个纤维素大分子上。

  该团队表示,其提出的电子束接枝改性技术具有安全性、耐用性和广谱抗菌三个特征。

  首先,安全性不仅是抗菌抗病毒材料使用的大前提,也是实现耐用和广谱抗菌两方面的重要前提,因此最受研究人员关注。他们将抗菌抗病毒分子与主干分子通过共价键完全结合在一起,形成了分子层面的复合纺织面料,使得功能分子不会在洗涤过程中从纤维素大分子上脱落下来,也几乎不会进入人体。同时,这也是以传统技术路线制备的抗菌抗病毒材料难以解决的问题之一。

  其次是耐用性,由于抗菌抗病毒功能分子与纤维素大分子融为一体,直至整个大分子彻底分解才会脱落下来,该电子束接枝改性纺织面料洗 150 次还能保持原有性能,大大超过了工业上对抗菌纺织品耐洗 50 次的要求。

  最后是广谱抗菌方面。作为一种包膜病毒,新型冠状病毒由蛋白质突刺、包膜与遗传物质三部分构成,只要破坏其中任一结构,就可使该病毒失去传染力。这项技术的作用机制是破坏包膜,不会因蛋白质突刺和遗传物质变化而被影响,因此可以杀死各类新型冠状病毒毒株。

  另外,从原理上看,这项技术对各种有包膜的病毒和有细胞膜的细菌等都是有效的,最新出现的猴痘病毒以及令人闻之色变的埃博拉病毒均属于包膜类病毒。

  据了解,研究员从 20 年前在日本早稻田大学做博士后期间起,就开始从事高分子材料接枝改性研究,把这项技术与纺织品领域的应用相结合也有 13 年左右的研究积累。2014 年,他曾带领团队利用接枝技术进行抗菌纺织品的研究,并花了两三年时间把接枝技术所制备功能纺织品的安全性、耐用性和广谱性这三大特点验证了一遍。然而,由于市场对于抗菌产品的接受度不高,且电子束接枝技术和相应设备在纺织行业没有应用先例,他们在这一年的研究没有能够走到最后。

  2020 年新冠疫情开始后,该团队再次将目光放到抗病毒这件事上。但当时大家对新型冠状病毒的认识都不够深入、对新型冠状病毒传播方式的认识也不全面,他们这时采取的还是持续关注和学习的态度。

  随着新冠疫情的持续,研究人员逐渐明确了新型冠状病毒等包膜病毒的特性,决定将其在抗菌纺织品方面的技术经验转到抗病毒纺织品方面。在与多方接触及交流后,最终他们通过清华大学天津高端装备研究院找到了对这项研究感兴趣的合作方,并确定以市场化方式来开展此次合作研究。

  研究过程中,该团队发现,抗菌和抗病毒之间还是有一定的差异,抗病毒难度要比抗菌大一些,尤其是新型冠状病毒。因此,他们选择再次回到基础,从消毒学的角度学习和筛选抗病毒分子结构,并基于季铵盐型消毒剂重新设计同时达到消毒要求和满足接枝改性技术要求的分子结构。

  对此,研究员表示,他们之所以选中季铵盐型消毒剂,一方面是因为季铵盐安全稳定,没有刺激性,另一方面是因为季铵盐的化学结构丰富,且不同结构具有的特性也不同。

  据悉,研究人员在设计出一系列季铵盐功能分子结构后,从中筛选了具有潜在高效抗病毒性能的结构。接着才开始进行相应功能分子纺织品的接枝研究。

  目前,该团队将电子束接枝抗病毒抗菌纺织品推进到了面料功能化阶段,后续想将面料做成衣服、毛巾和床单被罩等实用产品,还需进一步与企业开展落地和推广合作。这一过程中并不比技术研发容易,清华大学天津高端装备研究院的产学研一体化优势在该研究中起到很大的作用。

  据了解,在与多家上市企业接洽后,该团队意识到,在这场席卷全球的新冠疫情中,儿童和老人更需要得到保护。为此,研究人员对广东、浙江和福建等中国各大童装生产基地作了充分详尽的市场调研,并与深圳童装行业里的头部上市公司进行了充分的讨论和沟通,这不仅给他们的研发提供了有效的针对性思路,而且大大增强了团队的信心。

  此外,该团队介绍,除个人与家庭用的纺织品外,其研究成果还能在医院和酒店等特定场所中发挥极大作用。

  一是医院所用的专业纺织品,如病员服、病房的床单被罩以及医护人员的白大褂等。该团队所提出的抗病毒电子束接枝改性技术不但能够满足医院在抗菌方面的需求,还可以填补其在院内纺织品方面防控新型冠状病毒的空白。

  二是酒店的布草,如毛巾和床单、被套等。疫情下,人员出入频繁的酒店对于布草的更换与消毒有比较大的需求。如果在这类场所中大量使用广谱抗菌抗病毒的纺织品,那么可以更大程度地保护入住人员的安全,同时还减轻了酒店后续的消毒压力。

  研究员称,基本上,这项技术可以对大多数天然及合成的有机高分子材料进行功能处理,从而赋予其表面抗病毒抗菌的性能,包括绝大多数材质的纺织品、皮革、塑料、木材等。不过,这超出了他们一个技术团队所能了解的范围,需要跟各行各业感兴趣的合作者一起来开拓。

  下一步,该团队打算将其抗病毒接枝改性技术用于塑料袋等产品包装材料上,以进一步帮助阻断新冠疫情的传播。需要注意的是,与纺织品不同,包装材料通常是一次性使用,无需具备耐用性,但应当在成本进行一定的控制。

  另外,研究员表示,电子束接枝是一个通用的技术,除抗菌抗病毒纺织品以外,其在纺织品领域还有应用面更广、社会价值更大、经济性也更显著的研究方向。这也是他们更长远的工作计划。