徐榮 張春明
“物體免疫力”一詞的提出及其概念的闡明是在新冠疫情暴發(fā)、疫情防控成常態(tài)化背景下,由啟明星計(jì)劃獲得者、上海聚治新材料科技有限公司創(chuàng)始人張春明博士與其團(tuán)隊(duì)成員多次頭腦風(fēng)暴后得出的。2021年4月12日,張春明博士在所撰寫的“神奇!石墨烯科技賦予物體超級(jí)‘免疫力’”一文中首次將物體免疫力一詞公之于眾,該文先后在百度、搜狐、騰訊和鳳凰網(wǎng)等媒體發(fā)布。次日,百度百家認(rèn)證匠心計(jì)劃創(chuàng)作者、科學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)作者國(guó)納科技醬采訪了張春明等人后撰寫“‘物體免疫力’概念橫空出世,或改變?nèi)藗儗?duì)抗菌抗病毒傳統(tǒng)認(rèn)知”一文,給物體免疫力下了明確的定義:通過科技賦能,讓物體或者說組成物體的材料具有抗病毒、抗細(xì)菌的能力。物體免疫力這一概念問世一年多時(shí)間已在業(yè)界引起較大的反響,本文旨在對(duì)這一概念形成的來龍去脈,這一概念提出的社會(huì)及產(chǎn)業(yè)意義做一探究,以求正于各位有識(shí)之士,如果這一概念的提出能對(duì)更有效、更科學(xué)地防控疫情帶來一點(diǎn)積極意義,則是意外的收獲。
張春明博士提出物體免疫力概念并非偶然,而是基于一個(gè)大背景:自2007年6月15日《國(guó)際衛(wèi)生條例(2005)》正式生效實(shí)施以來,世界衛(wèi)生組織共宣布過六次由于大規(guī)模流行性病毒導(dǎo)致的國(guó)際公共衛(wèi)生緊急事件,這些事件背后的病毒均或多或少地實(shí)現(xiàn)了“空氣傳播”和“物表傳播”并存的新型傳播方式,所以造成傳播鏈廣且速度非???。這六次大規(guī)模流行性病毒導(dǎo)致的國(guó)際公共衛(wèi)生緊急事件分別是:2009年的甲型H1N1流感疫情、2014年的脊髓灰質(zhì)炎疫情、2014年西非的埃博拉疫情、2015年的“寨卡”疫情、2018年剛果(金)埃博拉疫情和2019年全球性的新冠疫情。
上述“國(guó)際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件”具有疫情“嚴(yán)重、突發(fā)、非同尋?!薄耙咔槌絿?guó)界,給其他國(guó)家?guī)盹L(fēng)險(xiǎn)”“需要立即啟動(dòng)國(guó)際合作”的特點(diǎn)。以新冠疫情為例,截至2022年6月23日,已經(jīng)累計(jì)確診542 502 619人,導(dǎo)致6 327 231人死亡,疫情已經(jīng)蔓延到全球221個(gè)國(guó)家和地區(qū)。
既然大規(guī)模流行性病毒均或多或少與空氣傳播和物表傳播有關(guān)系,那么作為材料科學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士,我們應(yīng)該怎么辦?早在新冠疫情初期的2020年1月,我們就在思考這一問題:是否有一種方式,譬如通過對(duì)物體或者物體表面賦予抑菌抗病毒功能以切斷傳播鏈,從而阻斷或者抑制細(xì)菌病毒的傳播呢?
這一想法固然好,但是要實(shí)現(xiàn)這一想法的關(guān)鍵卻在于是否存在一種材料,這種材料可以高效、廣譜地抑菌抗病毒,同時(shí)可以耐極端加工條件,易于被加工成人們常見的物體或者被涂覆于物體表界面。為了解決這一問題,我們團(tuán)隊(duì)開始轉(zhuǎn)向抑菌抗病毒材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方向。
在新冠疫情早期,中國(guó)大部分地區(qū)都處于短暫的“靜默期”,這給了團(tuán)隊(duì)足夠的思考、探索時(shí)間?;趪?guó)內(nèi)外現(xiàn)有抑菌抗病毒材料的研發(fā)現(xiàn)狀,我們開發(fā)出一種石墨烯復(fù)合抗病毒材料,該材料結(jié)合了納米表面處理技術(shù)、薄層石墨烯擔(dān)載無機(jī)絡(luò)合離子技術(shù)和抗病毒粒子包覆技術(shù),是一種具有滅殺冠狀病毒等多種病毒的新型材料。
該材料通過廣東微生物分析檢測(cè)中心、上海微譜化工、北京京畿分析測(cè)試中心和上海華測(cè)品標(biāo)檢測(cè)等第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)測(cè)試,對(duì)新冠病毒、甲型流感病毒(H3N2和H1N1)抗病毒活性率達(dá)到99%以上。材料具有粒徑小、分布窄、穩(wěn)定性好、耐高溫和低溫、廣譜抑菌抗病毒等特點(diǎn),其抑菌抗病毒原理可以理解為:捕獲——石墨烯特殊的能帶結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的半導(dǎo)體特性,內(nèi)腔具有雙極性電場(chǎng)效應(yīng),極易捕捉細(xì)菌和病毒;滅殺——引發(fā)活性氧簇(ROS)和協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),可快速精準(zhǔn)地靶向傳遞絡(luò)合金屬離子并將其組裝到病毒上直接“攻擊”或產(chǎn)生高活性氧和自由基“攻擊”病毒本體,破壞病毒蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)和功能,接觸催化式抑菌抗病毒機(jī)理可以將捕捉的細(xì)菌和病毒快速滅活。
石墨烯復(fù)合抗病毒材料對(duì)常見細(xì)菌和病毒有抑制效能
石墨烯復(fù)合抗病毒材料開發(fā)出來之后,團(tuán)隊(duì)繼續(xù)對(duì)這一材料的特性做深入研究的同時(shí),也在為材料的產(chǎn)業(yè)化做鋪墊。我們掌握了該材料耐高溫、耐水洗、可納米化和廣譜抑菌抗病毒等性能的具體數(shù)據(jù),包括:可耐高溫——已經(jīng)過260℃長(zhǎng)時(shí)間加工生產(chǎn)試驗(yàn);可耐水洗——已經(jīng)過水洗30次測(cè)試;可納米化——已做成透明AG防眩涂層;可廣譜抑菌抗病毒——對(duì)已測(cè)試過的新冠病毒、SARS病毒、H1N1和H3N2甲型流感病毒、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、綠膿桿菌、白色念珠菌等病菌均具有抑制效能。
通過先設(shè)定抗病毒效率相同,再?gòu)募庸囟?、添加量和使用壽命三個(gè)維度的數(shù)據(jù)來比較這種石墨烯復(fù)合抗病毒材料與傳統(tǒng)的銀鋅銅無機(jī)抗病毒材料和有機(jī)抗病毒材料三類產(chǎn)品后,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn):與有機(jī)抗病毒材料相比,石墨烯復(fù)合抗病毒材料耐高溫加工的優(yōu)異性解決了加工現(xiàn)場(chǎng)的分解異味和使用中的耐候性問題;與無機(jī)抗病毒材料相比,石墨烯復(fù)合抗病毒材料極低的添加量降低了使用成本。這些技術(shù)難點(diǎn)的把握為這一材料的產(chǎn)業(yè)化鋪平了道路。目前,相關(guān)技術(shù)已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng),授權(quán)4項(xiàng)。
我們?cè)O(shè)計(jì)并制備出了這種高效、廣譜且易于加工應(yīng)用的抑菌抗病毒材料,并經(jīng)多家第三方權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)該材料抑菌抗病毒性能的測(cè)試認(rèn)證,表明前面提到的通過對(duì)物體或者物體表面賦予抑菌抗病毒功能以切斷細(xì)菌病毒傳播鏈的構(gòu)想有望實(shí)現(xiàn),從而可以顯著降低細(xì)菌病毒通過空氣傳播和物表傳播的風(fēng)險(xiǎn)。那么如何讓社會(huì)大眾容易理解并接受物體免疫這一概念及其技術(shù)產(chǎn)品?也是在一番頭腦風(fēng)暴后,發(fā)明團(tuán)隊(duì)意識(shí)到是時(shí)候提出一種簡(jiǎn)單明了、易于大眾科普的概念了。
提出一種大家易于理解、接受的概念,通常得從一些大眾熟悉的用語、說法入手,這是行之有效的一種方式。為此團(tuán)隊(duì)幾位核心人員多次頭腦風(fēng)暴。
譽(yù)為中醫(yī)始祖的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中有這樣兩種說法:一是《素問·上古天真論》中記載的“虛邪賊風(fēng),避之有時(shí)”,二是《素問·四氣調(diào)神大論》中提出的“圣人不治已病治未病,不治已亂治未亂”。這些“典籍名言”放在疫情防范背景下都有意在告誡人們免受疫情所累要防范為先,“防患于未然”。用現(xiàn)在的話來說就是要加強(qiáng)個(gè)人防護(hù),減少外出活動(dòng),從而阻斷病毒傳播。而古醫(yī)書典籍中所謂的 “三魂七魄”中七魄之一的“吞賊”實(shí)際上就是一種人體的自我修復(fù),慢慢把“賊”全部吞噬消滅,人就又活得清爽了,這也與現(xiàn)在常說的“人體免疫力”有很大的契合。
上述這些說法有兩個(gè)核心詞,一個(gè)是“防患于未然”,一個(gè)是“人體免疫力”。這就給了團(tuán)隊(duì)啟發(fā):我們是否可以通過對(duì)作為傳播介質(zhì)的物體及物體表面進(jìn)行某種預(yù)處理,以實(shí)現(xiàn)物體及物體表面的抑菌抗病毒的效能,這不是類似于人體免疫力的一種“物體免疫力”嗎?幾經(jīng)思考并趨于成熟后,2021年4月12日物體免疫力這一說法由團(tuán)隊(duì)正式提了出來,其定義為:通過科技賦能,讓物體或者說組成物體的材料具有抗病毒、抗細(xì)菌的能力。物體免疫力的說法借用了人們熟知的“生物體免疫力”的概念,當(dāng)然這兩種免疫力在防御機(jī)制上雖有相似之處(都能抗病毒、抗細(xì)菌),但物體免疫力與傳統(tǒng)生物防御機(jī)制還是相異甚大的。物體免疫力提出來之后通過多家主流媒體、自媒體和業(yè)界會(huì)議進(jìn)行了一輪傳播,開始為人所知。
具體來說,我們這里提到的物體免疫力更賦予了其物化的內(nèi)涵:意指采用開發(fā)的石墨烯復(fù)合抗病毒材料等對(duì)物體表面進(jìn)行抑菌抗病毒功能化處理,讓物體獲得類似于人體對(duì)細(xì)菌和病毒的免疫力,或者按中醫(yī)說法使物體具備“吞賊”的能力。細(xì)菌和病毒一旦落入具有免疫力的物體表面,“吞賊”便開始活動(dòng)起來,因?yàn)槭┨厥獾哪軒ЫY(jié)構(gòu)及復(fù)合材料的半導(dǎo)體特性,其內(nèi)腔具有雙極性電場(chǎng)效應(yīng),極易捕捉附著物體表面的細(xì)菌和病毒。細(xì)菌和病毒一經(jīng)捕獲,石墨烯復(fù)合抗病毒材料引發(fā)的ROS和協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng),可快速精準(zhǔn)地靶向傳遞絡(luò)合金屬離子并將其組裝到病毒上直接“攻擊”或產(chǎn)生高活性氧和自由基“攻擊”病毒本體,破壞病毒蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)和功能,接觸催化式抑菌抗病毒機(jī)理可以將捕捉到的細(xì)菌和病毒快速滅活。
接觸催化式抗菌抗病毒機(jī)理示意圖
物體免疫力概念提出之后,受到了業(yè)界同行的關(guān)注與肯定。英國(guó)學(xué)者2021年5月末在《通訊-材料》(Communications Materials)發(fā)表題為“表面和涂層抗病毒及其作用機(jī)制”的文章,也提出了類似的概念——表面和涂層抗病毒(Antiviral Surfaces and Coatings)——這與我們提出的物體免疫力概念可謂異曲同工。
我們團(tuán)隊(duì)提出物體免疫力這一概念的同時(shí),也在致力于這一概念在各種場(chǎng)景的應(yīng)用,有些已經(jīng)開始量產(chǎn),投入到阻斷疫情、提升防護(hù)應(yīng)用的第一線。
公共交通領(lǐng)域整體方案 城市和城際間公共交通領(lǐng)域內(nèi)的公共用具、門把手、衛(wèi)生間、公用電梯、半封閉車廂、??空军c(diǎn)、候車大廳等場(chǎng)景都是人員密集型空間,存在站務(wù)和司機(jī)工作時(shí)間長(zhǎng)、乘客流動(dòng)性大、消殺不規(guī)范、盲點(diǎn)多等一系列潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此,除了規(guī)范消毒措施外,急需建立一套自主防疫立體防護(hù)方案。團(tuán)隊(duì)?wèi){借自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品和全方位應(yīng)用解決方案獲得了深圳地鐵的青睞,雙方簽署了《納米抗病毒技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用》項(xiàng)目合作協(xié)議,現(xiàn)計(jì)劃在今年10~12月份在深圳地鐵16號(hào)線上開展專門用于軌道交通場(chǎng)景的系列應(yīng)用型產(chǎn)品試點(diǎn)工作,通過對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)、座椅、玻璃、塑料把手、聚氯乙烯(PVC)地膜、金屬扶手桿等引入物體免疫力,提高軌道交通自主抗擊新冠病毒的能力,從而確保乘客出行安全。
空氣凈化、新風(fēng)及空調(diào)濾芯 2021年7月廣州舉行的一場(chǎng)關(guān)于室內(nèi)空氣凈化的峰會(huì)上,鐘南山院士提出對(duì)室內(nèi)的病毒感染要給予充分的重視,密閉的室內(nèi)環(huán)境中飛沫和氣溶膠傳播是病毒傳播的主要來源,鐘院士認(rèn)為空氣凈化行業(yè)應(yīng)該發(fā)揮作用,通過空氣凈化方式阻斷病毒在空間傳播。對(duì)此,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一款石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒空氣凈化濾芯。與傳統(tǒng)的濾芯相比,這款濾芯融入了抑菌抗病毒功能,達(dá)到一芯多用的效能。與市面上現(xiàn)有帶抑菌功能的濾芯相比,該方案不是簡(jiǎn)單的涂覆、噴涂,而是完全融入濾材的纖維之中,具有明顯的耐用性優(yōu)勢(shì)。
建筑涂料 疫情之后,涂料行業(yè)已經(jīng)成為抑菌抗病毒材料應(yīng)用最為活躍的領(lǐng)域之一,2020年底,中國(guó)涂料工業(yè)協(xié)會(huì)推出了T/CNCIA 01014-2020《抗菌及抗病毒涂料》和T/CNCIA 03002-2020《涂料(漆膜)抗病毒性能測(cè)試方法》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。2021年9月,與團(tuán)隊(duì)合作的國(guó)內(nèi)知名硅藻泥龍頭企業(yè)推出了對(duì)冠狀病毒抗病毒活性率高達(dá)99%以上的一款新型石墨烯抗病毒水性硅藻涂料,而且實(shí)現(xiàn)量產(chǎn),正向市場(chǎng)全面推廣應(yīng)用。
其他涂層 2021年9月,在第七屆CPRJ 3C電子/家電塑料技術(shù)論壇暨展示會(huì)上,與會(huì)專家提出:疫情防控常態(tài)化的大背景下,抑菌抗病毒材料將會(huì)延伸到各行各業(yè),3C消費(fèi)電子或家電行業(yè)也不例外,必須持續(xù)研發(fā)有關(guān)抑菌抗病毒材料,包含產(chǎn)品內(nèi)嵌和表面涂層。我們團(tuán)隊(duì)也意識(shí)到消費(fèi)類電子產(chǎn)品、家居辦公產(chǎn)品、公共場(chǎng)合用產(chǎn)品等表層的抑菌抗病毒功能化將是大勢(shì)所趨,并且開展行動(dòng):在合作伙伴共同努力下,表層涂覆有石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒材料的手機(jī)硅膠套已經(jīng)問世,并已面向市場(chǎng)批量銷售。
張春明博士提出的“物體免疫力”作品已經(jīng)在國(guó)家版權(quán)局登記
塑料包裝膜 2022年4月份以來,包括無錫、沈陽、蘇州、唐山市和海關(guān)進(jìn)口冷鏈?zhǔn)称钒b陽性事件高發(fā),這也引發(fā)了團(tuán)隊(duì)的思考,大家認(rèn)為完全可以將塑料包裝材料——主要材質(zhì)如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等——融入抑菌抗病毒材料,從而賦予包裝膜抑菌抗病毒功能,目前團(tuán)隊(duì)正與無錫某知名包裝膜生產(chǎn)企業(yè)合作推進(jìn)中。
紡織面料 紡織雖然是傳統(tǒng)行業(yè),但產(chǎn)業(yè)界人士根據(jù)疫情現(xiàn)狀也在想辦法升級(jí)換代,大家認(rèn)為后疫情時(shí)代紡織品及非織造布的發(fā)展“危中有機(jī)”:只有通過一些技術(shù)創(chuàng)新,賦能增值,從而讓產(chǎn)品形成差異化、功能化,解決消費(fèi)者痛點(diǎn),紡織行業(yè)才具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。為此,團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與青島某纖維制造企業(yè)合作開發(fā)了一種超高分子量抗病毒PE纖維材料,這種纖維材料可編織成防切割等級(jí)達(dá)2級(jí)的面料,利用這種面料可以進(jìn)一步加工成家紡、鞋材、特種防護(hù)服、勞保手套等產(chǎn)品,目前已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。對(duì)于普通面料,例如滌綸材質(zhì)緯編提花布等,團(tuán)隊(duì)與福建省泉州市某企業(yè)合作,通過石墨烯復(fù)合抗病毒后整理劑對(duì)滌綸材質(zhì)緯編提花布進(jìn)行加工處理,可以用于抑菌抗病毒鞋墊的制備,目前正準(zhǔn)備放大批量加工。其他面料,如家紡用印花布、制服、工作服和西裝等用面料,同樣可以采用后整理方式進(jìn)行加工賦能。
非織造布 在2021年7月國(guó)際非織造材料展會(huì)上,參會(huì)的專業(yè)人士已經(jīng)認(rèn)識(shí)到抑菌抗病毒是非織造行業(yè)未來的大趨勢(shì)。團(tuán)隊(duì)已將石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒材料高溫共融到聚丙烯(PP)無紡布或后整理到PET骨架布上,制備得到高效廣譜抑菌抗病毒濾材,已經(jīng)開始大批量銷售。同時(shí)根據(jù)市場(chǎng)需求,團(tuán)隊(duì)正與國(guó)內(nèi)知名廠商共同推進(jìn)石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒材料通過高溫共融、后整理和共混等加工方式融入初效棉、中效棉和高效玻纖等多種形式濾材中,全面推進(jìn)傳統(tǒng)濾材的升級(jí)換代。我們認(rèn)為,基于上述抑菌抗病毒濾材,進(jìn)一步加工制備得到抑菌抗病毒空氣凈化、新風(fēng)及空調(diào)濾芯將變得簡(jiǎn)單易行。口罩是大眾接觸最多也是非常重要的防疫產(chǎn)品,但是大眾對(duì)此的認(rèn)識(shí)似乎有誤,有些人甚至提出了口罩到底有沒有用這一問題。為此,團(tuán)隊(duì)與來自浙江大學(xué)、東華大學(xué)和紡織行業(yè)協(xié)會(huì)的教授和專業(yè)人士討論后認(rèn)為:口罩顯然對(duì)于防止疫情擴(kuò)散是非常重要的,我們當(dāng)前需要解決的是提高口罩舒適度、抑菌性和抗病毒性能。常州某企業(yè)與本團(tuán)隊(duì)合作,基于石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒熔噴濾材開發(fā)的抗病毒口罩已經(jīng)問世,并已經(jīng)進(jìn)入常州藥業(yè)自營(yíng)藥店銷售。除了口罩外,無紡布材質(zhì)的防護(hù)服、防護(hù)頭套等防疫物資也是石墨烯復(fù)合抑菌抗病毒材料的應(yīng)用方向。
汽車內(nèi)飾 在2021年上海國(guó)際汽車內(nèi)飾與外飾展覽會(huì)上,團(tuán)隊(duì)成員與汽車內(nèi)飾行業(yè)一些知名企業(yè)進(jìn)行了深度交流,大家意識(shí)到,在疫情常態(tài)化的當(dāng)下,汽車作為一個(gè)相對(duì)較為封閉的空間,其中的內(nèi)飾產(chǎn)品,如儀表面板、門內(nèi)飾板、頂棚、座椅、座套、車墊等所用材料的抑菌抗病毒化是一種必然趨勢(shì)。不過由于材料涉及門類較廣,包含PP、PVC、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)等塑料以及錦綸、腈綸、丙綸、滌綸等面料,因此需要汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)合作推進(jìn)。目前團(tuán)隊(duì)與汽車內(nèi)飾行業(yè)一些有意向的企業(yè)已經(jīng)開展合作,將抑菌抗病毒材料正式應(yīng)用到部分汽車內(nèi)飾中。
潛在應(yīng)用 除了上述應(yīng)用領(lǐng)域,我們認(rèn)為石墨烯復(fù)合抗病毒材料在水質(zhì)凈化、注塑件、家居板材等行業(yè)也具有潛在的應(yīng)用需求。相信隨著大家對(duì)石墨烯復(fù)合抗病毒材料了解的深入,其應(yīng)用領(lǐng)域或?qū)⑦M(jìn)一步拓展。
包括本次新冠疫情在內(nèi)的導(dǎo)致國(guó)際公共衛(wèi)生緊急事件的主要病毒均或多或少存在空氣傳播和物表傳播,造成傳播鏈廣且速度快、危害大。在這一大背景下,我們團(tuán)隊(duì)提出了物體免疫力這一概念,引發(fā)大眾和業(yè)界關(guān)注。之后,團(tuán)隊(duì)會(huì)持續(xù)開展這一概念的科普工作,同時(shí)致力于將這一概念付諸產(chǎn)業(yè)實(shí)踐,其中無紡布濾材、空氣凈化濾芯、新風(fēng)及空調(diào)空氣過濾器、塑料薄膜和特種涂層等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷售,投入到疫情應(yīng)用的第一線。團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,物體免疫力后期的進(jìn)一步推廣、應(yīng)用不僅有助于這一概念深入人心,還有望降低由于空氣傳播和物表傳播導(dǎo)致的變異病毒或未知病毒大范圍傳播風(fēng)險(xiǎn),可謂意義深遠(yuǎn)。