從物質(zhì)科學(xué)視角看飛沫液滴和疫情防控

黃嘉興 黃海月

從物質(zhì)科學(xué)角度談呼吸道疾病：為什么能，為什么要？

在新冠疫情期間，醫(yī)護(hù)人員和公共衛(wèi)生專家們工作在保護(hù)人民群眾生命安全最重要的防線上。但若把所有的防疫壓力都放在這一道防線上，被動(dòng)地等待更有效的疫苗和特效藥，是非常不明智的選擇——正如在槍林彈雨之中，再好的鎧甲（疫苗）和金瘡藥（特效藥）都不能取代盾牌（防護(hù)措施）的作用。呼吸道傳染病的病毒在接觸到下一個(gè)易感人員之前，必然要離開宿主進(jìn)入環(huán)境中。在這期間，病毒存在于體外的物質(zhì)世界，必然會(huì)與各類材料表面相互作用。此時(shí)環(huán)境的溫度、濕度，空氣的對(duì)流、擴(kuò)散，材料的組成成分，材料表面的吸水性、光潔度等都將影響病毒的傳染性（圖1）。因此物質(zhì)科學(xué)家們不僅可以有所作為，也應(yīng)該對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行思考和研究。本文將嘗試從物質(zhì)科學(xué)的角度出發(fā)，談一談對(duì)病毒結(jié)構(gòu)和傳播途徑的常識(shí)性理解，同時(shí)也解釋一些熱點(diǎn)問題：有哪些常見的關(guān)于病毒的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)？飛沫液滴與病毒活性有何關(guān)聯(lián)？有哪些方法可以加快病毒在體外失活？為什么正確佩戴口罩非常重要？物質(zhì)科學(xué)工作者和普通群眾分別能為抗擊疫情做些什么？

圖1 在病毒接觸人體之前，可以采取多種手段在環(huán)境中對(duì)它們進(jìn)行阻擋和滅活

從構(gòu)-效關(guān)系看病毒納米顆粒

每個(gè)領(lǐng)域的科研工作者都有其獨(dú)特的思維框架與看待問題的方式——材料科學(xué)的思維范式是研究材料系統(tǒng)中“結(jié)構(gòu)-效能”之間的因果關(guān)系（簡(jiǎn)稱構(gòu)-效關(guān)系），這包括了不同時(shí)間、空間尺度下兩者的動(dòng)態(tài)關(guān)系。病毒顆粒的大小在幾百納米，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但不是“活”的——它們沒有動(dòng)力源或能量源，無法自己移動(dòng)。病毒在入侵受體并完成自我復(fù)制的過程中完全依賴外界的能量輸入，其中在環(huán)境中的遷移尤其依賴人類自身不良的衛(wèi)生習(xí)慣。從構(gòu)-效關(guān)系來看病毒顆粒，可以建立以下兩點(diǎn)物理常識(shí)。

首先，像新冠病毒這樣的具有核-殼結(jié)構(gòu)的納米顆粒，其主要的“效能”是在合適的時(shí)候釋放內(nèi)部的遺傳物質(zhì)，以感染人體。為了實(shí)現(xiàn)這樣的效能，病毒的“結(jié)構(gòu)”需要相對(duì)穩(wěn)定，以保證它們?cè)诮佑|下一個(gè)易感人員的呼吸道之前，能夠抵抗外部環(huán)境因素（例如溫度、濕度、光照等）的變化且保持結(jié)構(gòu)的完整性。同時(shí)病毒的結(jié)構(gòu)又不能太穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂c受體結(jié)合后必須能夠迅速瓦解并釋放出遺傳物質(zhì)，否則它們就無法實(shí)現(xiàn)感染的功能。從這個(gè)角度看，病毒的結(jié)構(gòu)相當(dāng)精巧且處于亞穩(wěn)態(tài)。這也注定了其容易失活的命運(yùn)——結(jié)構(gòu)單元的損壞（例如磷脂雙分子層破裂、蛋白質(zhì)變性等）極易導(dǎo)致病毒喪失傳染能力。其次，病人釋放出的病毒并非以裸露的單個(gè)納米顆粒形式存在于環(huán)境中，而是與其他從呼吸道分泌的成分（例如蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽、磷脂質(zhì)、微生物等）一起被包裹在幾十微米尺度的飛沫液滴中（圖2）。當(dāng)飛沫液滴或者飛沫核（即干燥后的液滴）沉降在各種表面時(shí)，這些被包裹的病毒顆粒本身往往并不與環(huán)境表面直接接觸。

圖2 病毒顆粒在環(huán)境中并非單獨(dú)存在，而是被包裹于尺寸更大的飛沫液滴中

以上兩個(gè)基本物理常識(shí)已經(jīng)能回答許多關(guān)于呼吸道病毒的疑問：為什么從環(huán)境樣本中測(cè)出核酸物質(zhì)并不意味著這些物品具有傳染性？因?yàn)楹怂嵛镔|(zhì)只是病毒顆粒結(jié)構(gòu)中的一部分，只有具有完整結(jié)構(gòu)的病毒才有傳播活性。環(huán)境樣本中測(cè)出特定核酸物質(zhì)僅僅意味著這些物品表面曾經(jīng)有過病毒顆粒的沉積，這并不等同于病毒還具有傳染性。

為什么戴口罩能夠阻擋納米尺度的病毒顆粒？因?yàn)槌Ｒ姷尼t(yī)用外科口罩雖然對(duì)納米顆粒的過濾效率不高，但足以阻擋幾十微米尺度的飛沫液滴和飛沫核，而病毒在環(huán)境中的傳播離不開飛沫液滴這個(gè)微米尺度的交通工具。我們?cè)谂宕骺谡值臅r(shí)候，更重要的是學(xué)習(xí)并堅(jiān)持正確佩戴，而不是盲目地選擇更“高級(jí)”的口罩。再好的裝備，如果不正確使用（例如不貼緊鼻梁和臉頰，或者將口罩拉低露出鼻孔），也會(huì)給飛沫液滴可乘之機(jī)。

為什么要強(qiáng)調(diào)勤洗手？病毒本身并不能感知環(huán)境，也無法運(yùn)動(dòng)，只能被動(dòng)地被裹在飛沫液滴或飛沫核內(nèi)被輸運(yùn)。往往是我們自己用手“拾起”了病毒，并在揉眼睛、舔手指、揉鼻子、挖鼻孔等行為中助了病毒“一臂之力”，讓它們能夠“抄近道”進(jìn)入我們的體內(nèi)。用肥皂洗手能洗去手上的飛沫，含酒精的免洗洗手液雖不能除掉飛沫，但也能使病毒失去活性，因此不論是哪種形式的洗手，都能起到很好的預(yù)防作用。當(dāng)然，如果能意識(shí)到我們自身的一些不良衛(wèi)生習(xí)慣，并加以克制，也能更好地保護(hù)自己和身邊的人。我們相信讀者朋友們只要認(rèn)識(shí)到以上這些基本事實(shí)，就能更加科學(xué)地辨別網(wǎng)絡(luò)上某些真假參半的信息，也能更加樂觀地面對(duì)疫情，相信我們最終能夠克服它。

同時(shí)，這些物質(zhì)科學(xué)常識(shí)也提醒著科研工作者，在研究抗病毒策略時(shí)必須要考慮到飛沫液滴中的其他物質(zhì)。這些物質(zhì)阻止了病毒與環(huán)境中物體表面的直接接觸，因此任何有效的病毒滅活策略必須能夠克服這層由呼吸道中各種成分構(gòu)成的屏障，從而“直搗黃龍”。接下來，我們就將為大家拋磚引玉，舉幾個(gè)例子。

呼吸道傳染病傳播途徑和相應(yīng)阻擋方法的思考

在環(huán)境中，飛沫液滴和飛沫核能通過多種傳播途徑到達(dá)人體。材料科學(xué)家可以針對(duì)不同傳播途徑的特點(diǎn)研究多種阻擋液滴、滅活病毒的方法。在離開患者后，如果附近有密集的人群，液滴就可能直接被人體吸入造成感染。沒有被吸入的液滴則仍在空氣中，此時(shí)尺寸較大的液滴會(huì)快速沉降到物體表面，而尺寸較小的液滴（又稱為氣溶膠）能在空氣中懸浮很長(zhǎng)時(shí)間。在這些液滴中的病毒失活以前，如果有人用手觸摸到物體表面并進(jìn)一步觸摸鼻、眼黏膜，或者直接吸入氣溶膠，就有可能被感染。

化學(xué)修飾層對(duì)付逃逸液滴 尺寸較大的液滴含水量也通常較大，因此可以設(shè)想一種方法將抗病毒物質(zhì)溶解到液滴中，讓整個(gè)液滴的化學(xué)環(huán)境變得不利于病毒保持活性。為了從源頭上控制疫情傳播，這一策略最好用于液滴剛剛被釋放的時(shí)候。因此我們想到在患者的口鼻周圍像戴口罩那樣戴上一層“化學(xué)修飾層”，用它來修飾被呼出液滴的成分。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，普通的無紡布在經(jīng)過高分子修飾后，可以攜帶銅離子或者磷酸分子（具有廣譜消毒作用的成分）。在模擬實(shí)驗(yàn)中，修飾層的消毒成分能較好地溶解到逃逸的液滴中。這樣的化學(xué)修飾層有望從源頭降低病毒的傳播效率，更好地保護(hù)醫(yī)護(hù)人員。

自消毒外衣對(duì)付沉積的液滴或飛沫核 類似地，針對(duì)沉積在材料表面的液滴，我們也需要一種方法將抗病毒物質(zhì)溶解到液滴中，從而在沒有直接與病毒顆粒接觸的情況下對(duì)其進(jìn)行滅活?，F(xiàn)階段的主要方法是噴灑消毒劑，但是如果噴灑頻率不足則無法持續(xù)消毒，過量使用會(huì)造成環(huán)境污染。有沒有什么方法可以讓經(jīng)常被接觸到的表面（如不銹鋼）自己釋放消毒劑？由此我們想到了“消毒衣”的概念，通過在不銹鋼金屬上生長(zhǎng)一層含銅表面層來給不銹鋼穿上消毒衣。它能在周圍有水分的條件下緩慢釋放銅離子，達(dá)到消毒的目的?，F(xiàn)階段的研究難點(diǎn)在于如何觀測(cè)到銅離子等消毒劑溶解于液滴中，最終對(duì)病毒產(chǎn)生作用的過程。液滴中是否含有足夠的水分可以溶解銅離子？液滴干燥成飛沫核的過程中產(chǎn)生的形變是否對(duì)病毒活性有影響？銅離子會(huì)不會(huì)在溶解于液滴后與液滴中的其他成分反應(yīng)而失效？這些還需要材料科學(xué)家和病毒學(xué)家在未來跨領(lǐng)域合作，進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

能捕獲氣溶膠的涂層 相比于尺寸較大、易沉積的液滴，氣溶膠在空氣中停留的時(shí)間更久也更難以去除。這些空氣中的顆粒會(huì)不斷地與環(huán)境表面碰撞，其中的絕大部分會(huì)被彈回到空氣中。我們課題組利用環(huán)境中的“閑置”表面，比如面積很大又不經(jīng)常被觸碰到的天花板、墻壁、窗戶等，在其表面添加吸濕層以提高對(duì)氣溶膠的捕獲效率，防止它們重回到環(huán)境中。吸濕層的成分借鑒了護(hù)發(fā)素的配方，使最終形成的吸濕層同時(shí)具有捕獲氣溶膠和防霧的功能，且膜層厚度均勻，不影響視覺效果。

蚊子與飛沫液滴的對(duì)比

蚊子和飛沫液滴都是傳染病的傳播媒介，且二者的傳播都從病原體離開人體內(nèi)的“原生環(huán)境”，進(jìn)入物理空間和環(huán)境開始（圖3）。對(duì)于通過蚊子傳播的傳染病，人們已經(jīng)找到了許多預(yù)防方法，比如使用驅(qū)蚊液、驅(qū)蚊香、驅(qū)蚊貼、捕蚊燈等。這些工具能夠讓人們?cè)诓煌瑘?chǎng)景免受蚊子的侵?jǐn)_，同時(shí)不會(huì)感到不適。此外，蚊子叮咬會(huì)造成痛、癢等癥狀，促使人們自覺做好個(gè)人防護(hù)，例如穿著長(zhǎng)袖、長(zhǎng)褲。然而，對(duì)于通過飛沫液滴傳播的呼吸道傳染病，現(xiàn)階段的防護(hù)方法卻較為單一且容易引起不適。長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩常常使佩戴者覺得悶熱、呼吸不暢。醫(yī)務(wù)人員在穿戴密不透氣的防護(hù)服時(shí)還要忍受更多的不便。同時(shí)，由于液滴尺寸微小，難以像蚊子那樣引起人們的警惕。在人群密集的場(chǎng)所，我們難以意識(shí)到自身正暴露于人群釋放出的飛沫液滴中，因此也不愿自覺佩戴防護(hù)用具。不過我們相信，隨著人們對(duì)呼吸道傳染病的重視、物質(zhì)科學(xué)的發(fā)展以及跨學(xué)科合作的加強(qiáng)，未來會(huì)出現(xiàn)更有效的阻斷手段和更舒適的防護(hù)工具。在它們出現(xiàn)之前，讓我們盡可能地規(guī)范佩戴，盡可能地接受佩戴口罩引起的不適，因?yàn)榕宕骺谡植粌H能保護(hù)自己，也能保護(hù)周圍更多的人。在這一方面，科普和公共教育工作意義重大，不僅長(zhǎng)期堅(jiān)持，也要從對(duì)孩子們的科普教育做起。

圖3 就像蚊子一樣，攜帶病原體的飛沫滴液從一個(gè)人傳播到另一個(gè)人時(shí)，也需要經(jīng)過物理空間

蚊子與飛沫液滴的比較

結(jié)語

這篇文章的想法源于2020年疫情暴發(fā)初期，彼時(shí)筆者被前線醫(yī)護(hù)人員勇敢無畏的精神打動(dòng)，決定在后方嘗試從物質(zhì)科學(xué)的角度思考與呼吸道傳染病疫情相關(guān)的科學(xué)問題和研究需求。在這個(gè)過程中有幸與一批志同道合的臨床檢測(cè)、診治與救護(hù)專家，生物醫(yī)學(xué)工程專家和公共衛(wèi)生學(xué)者交流討論，使得這些想法最終以一篇前瞻性文章——“面對(duì)新冠疫情，物質(zhì)科學(xué)研究人員如何有所作為”（COVID-19: A Call for Physical Scientists and Engineers）——的形式發(fā)表于美國化學(xué)會(huì)的期刊《美國化學(xué)會(huì)-納米》（ACS Nano），并得到了廣泛的關(guān)注和討論。在這里也特別感謝那篇ACS Nano上前瞻性文章的共同作者，他們是（圖4中由左至右，由上至下）：樊春海，上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院；黃海月（筆者），原美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系，現(xiàn)西湖大學(xué)工學(xué)院；黃嘉興（筆者），原美國西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系，現(xiàn)西湖大學(xué)工學(xué)院；李敏，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院檢驗(yàn)科；聶華麗，東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院；汪付兵，武漢大學(xué)中南醫(yī)院檢驗(yàn)科；王慧，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院公共衛(wèi)生學(xué)院；王瑞蘭，上海市第一人民醫(yī)院急診危重病科；夏劍波，湖北省婦幼保健院檢驗(yàn)科；鄭昕，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院感染性疾病科；左小磊，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院分子醫(yī)學(xué)研究院。

圖4 ACS Nano期刊上文章的共同作者

這段經(jīng)歷也是我們課題組后續(xù)相關(guān)工作的靈感與動(dòng)力的來源，激勵(lì)筆者要勇于走出自己的舒適圈，積極思考社會(huì)民生所面臨的迫切挑戰(zhàn)，做出力所能及的貢獻(xiàn)。（感謝西湖大學(xué)工學(xué)院以及未來產(chǎn)業(yè)研究中心的支持。）