造福人類的海綿

林馭寒

古老的海綿

海綿是地球上最古老的生物之一，是大自然送給人類的一份有趣禮物。天然海綿是世界上結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的水生多細(xì)胞動(dòng)物，種類眾多，形態(tài)各異，絕大多數(shù)生活在海底。

古希臘克里特島的壁畫中，記載了人們對(duì)天然海綿最初的認(rèn)知和利用。中世紀(jì)開始，除了作為清潔材料使用以外，天然海綿逐漸被用于繪畫和醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。盡管當(dāng)前海綿動(dòng)物的種類數(shù)以萬(wàn)計(jì)，但是2000多年來(lái)只有10余種天然海綿為人所用。

實(shí)際上，我們常用的天然海綿是一些海綿的針狀內(nèi)骨骼。根據(jù)種類不同，這些內(nèi)骨骼分別富含鈣或硅等無(wú)機(jī)鹽或網(wǎng)狀蛋白質(zhì)纖維，在所處環(huán)境的影響下，這些內(nèi)骨骼形成了非常特別的多孔結(jié)構(gòu)，并成為海綿生命的支撐。

依賴于這種多孔結(jié)構(gòu)，海綿一方面可以攝入氧氣及海水中的微生物、無(wú)機(jī)鹽，完成代謝產(chǎn)物的排泄，進(jìn)行繁衍。另一方面，海綿的內(nèi)骨骼及其多孔結(jié)構(gòu)賦予了它們死后可“重生”的特性，即當(dāng)它們離開大海失去生命時(shí)，仍然維持著彈性、剛性和親水性：在干燥狀態(tài)下外觀像一團(tuán)爛棉花，揉搓起來(lái)能夠抵抗一定外力;而重新進(jìn)入水中則馬上恢復(fù)了豐潤(rùn)柔軟狀態(tài)，仿佛重生了一樣。

人造海綿應(yīng)運(yùn)而生

20世紀(jì)50年代以來(lái)，天然海綿價(jià)格居高不下，過(guò)度開采加劇了天然海綿的產(chǎn)能危機(jī)。隨著海綿一些神奇的“密碼”被科學(xué)家加速破譯，各種人造海綿及其相關(guān)產(chǎn)物開始豐富人們的生產(chǎn)生活。

業(yè)界普遍認(rèn)為，最初的人造海綿源自1952年德國(guó)拜耳公司研制的廉價(jià)的軟質(zhì)聚氨酯發(fā)泡材料。雖然這些材料是由多種化學(xué)成分合成的泡沫塑料，但是其外觀與天然海綿非常相似，布滿了互相連通的孔洞，手感柔軟，且具有一定彈性和吸水能力，可以在某些場(chǎng)合替代天然海綿使用。拜耳公司研制的海綿極大地鼓舞了人們進(jìn)一步合成或加工具有類似結(jié)構(gòu)的人造海綿材料。

從成分來(lái)看，各類聚氨酯發(fā)泡材料仍是具有代表性的人造海綿品種之一，被廣泛用于家具制造業(yè)、汽車工業(yè)、鞋業(yè)、藝術(shù)品行業(yè)，甚至航天領(lǐng)域。人們通過(guò)調(diào)整原材料配方可以得到不同功能的聚氨酯海綿，比如，聚酯型聚氨酯海綿具有較好的拉伸性能、耐溶劑性能和耐高溫性能，而聚醚型海綿則具有較好的硬度、彈性和耐水解性能，更適用于低溫場(chǎng)合。

而一度成為航天員專用的記憶海綿，也不過(guò)是由于其合成配方中加入了一些硅油等成分，從而改變了聚氨酯海綿的黏彈性和溫度特性。在原材料配方中添加阻燃劑、導(dǎo)電材料等功能成分，還可以將聚氨酯海綿的使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)發(fā)泡工藝進(jìn)行性能分析與參數(shù)優(yōu)化，可以充分調(diào)整聚氨酯成型后的性能及其可加工性。人們?cè)僖罁?jù)這些性能指標(biāo)將它們送到各自的用武之地。

生活中常見的另一類海綿是由木纖維素纖維或紙漿纖維發(fā)泡制成的。這是一種相對(duì)環(huán)保的海綿材料，其骨架成分賦予了制品更多的親水性和彈性，干燥狀態(tài)下質(zhì)地堅(jiān)硬，遇水后其致密細(xì)微的多孔結(jié)構(gòu)能使之充分利用毛細(xì)管原理快速完成水的吸附及脫附過(guò)程。

應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的海綿則多以具有生物親和性的成分制成。比如，科學(xué)家將天然牛跟腱酶解、純化后提取膠原蛋白，隨后通過(guò)高分子互穿網(wǎng)絡(luò)技術(shù)合成了多孔海綿材料。這種海綿材料已應(yīng)用于臨床止血、抗感染、軟骨修復(fù)中，而經(jīng)過(guò)抗菌修飾的聚乙烯醇縮甲醛海綿也大量被用于促進(jìn)傷口愈合等方面。

與天然海綿成分不同，合成的人造海綿大多數(shù)都可被看作是石油海綿（即原料來(lái)自石油的海綿）。然而近30年來(lái)，在石油海綿大行其道的同時(shí)，天然海綿賴以生存的家園卻被人類的石油開采利用活動(dòng)逐漸破壞，這也給人類的生存帶來(lái)挑戰(zhàn)。為此，人類著力研制具有油水分離能力的材料，盡力彌補(bǔ)海上石油泄漏、污染所造成的損失。

于是，擁有巨大的表面積和疏松的多孔結(jié)構(gòu)的海綿類聚合物材料又一次進(jìn)入人們的視野。人們對(duì)材料表面進(jìn)行處理，使之獲得特殊的濕潤(rùn)性，改變其親水親油的能力。其中具有代表性的，是中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所研制的氟代物取代聚乙烯醇泡沫材料。聚合物本身的溶脹特性和表面特性賦予其超強(qiáng)的吸油能力和超高的分離效率，而疏松的多孔海綿狀態(tài)可以使之經(jīng)受反復(fù)擠壓并可重復(fù)利用。這一研究成果加速工程化后，有望為海上石油污染處置提供新的路徑。

天然海綿蘊(yùn)含著巨大“寶藏”

盡管天然海綿一度成為人們規(guī)?；B(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)動(dòng)物，但物美價(jià)廉的人造海綿淘汰了天然海綿的傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們又發(fā)現(xiàn)了天然海綿蘊(yùn)含的巨大“寶藏”，并提出“海綿生物技術(shù)”的概念。

天然海綿具有一定的降解海水污染物的能力，其降解機(jī)理和凈化能力還有待人們進(jìn)一步發(fā)掘和利用，也許未來(lái)人們只要規(guī)?；B(yǎng)殖某些天然海綿即可達(dá)到維持區(qū)域水域環(huán)境生態(tài)平衡的目的。

由于體內(nèi)含有最為豐富的海洋活性物質(zhì)，天然海綿的化學(xué)成分提取分析和加工利用成為海洋藥物開發(fā)工作的熱點(diǎn)。相關(guān)研究顯示，其在神經(jīng)疾病、癌癥的治療過(guò)程中體現(xiàn)出積極作用。

此外，海綿骨針的微觀結(jié)構(gòu)、特性、生長(zhǎng)機(jī)制也不斷引起生物學(xué)家、仿生科學(xué)家的研究興趣。人們?cè)诜肿铀缴蠈?duì)海綿骨針顯示出的導(dǎo)光作用進(jìn)行研究，為光纖制造提供了新思路。而基于天然海綿的仿生功能化工作，也給醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、環(huán)保領(lǐng)域和智能材料領(lǐng)域的專家提供了新的研究契機(jī)。在這方面，哈佛大學(xué)天然抗癌成分“軟海綿素”的人工全合成工作，走在了世界前列。

彌足珍貴的天然海綿是海洋送給人們的禮物，也為人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的犧性。而當(dāng)下，人們除了加速科技研發(fā)之外，也需要加大力度保護(hù)好天然海綿的生存環(huán)境，只有人與自然和諧共存，才能謀求長(zhǎng)足發(fā)展。

（依依摘自《科學(xué)畫報(bào)》2020年第12期）