 撰文 | 戚译引 人们常说科技发展的过程就是不断提出问题、解决答案，但是实际上，一些答案需要花上许多年，才能找到适合它的问题。相传在1831年，法拉第做了一台发电机模型，对众人展示他刚刚发现的电磁感应现象。观众问道：“这东西有什么用呢？”法拉第回答：“一个新生的婴儿能有什么用呢？” 在那个没有手机、没有电视、连电灯都不存在的年代，一台发电机当然没什么用。直到当发电机实现电力的稳定输出，当各种家用电器被发明出来，发电技术才能展示出它真正的价值。 一项发明创造在推广过程中要经历哪些阻碍？如今又有哪些技术等待在未来大显身手？我们无法预知未来，但是一项诞生十多年才刚刚看到使用前景的技术——Sharklet，或许能回答前一个问题。 十多年前，在以阳光和橙子闻名的美国佛罗里达州，佛罗里达大学的安东尼·布伦南（Anthony Brennan）教授得到了来自美国海军的资助，开展一个研究项目，探索如何保持船体的清洁。轮船底部容易滋生海藻、藤壶之类的生物，长期下来会让船体航行阻力增加，进而消耗更多的燃料，甚至还可能造成腐蚀。有的轮船使用有毒涂层来避免这个问题，但这些有毒物质同时也会污染海洋，并且涂层脱落之后就失去了保护作用。 Sharklet技术发明人Dr.Anthony Brennan 作为一名材料学家，布伦南最初研究牙科材料，那海军找他做什么？原来，好的牙科材料应当无毒无害，并且能保持清洁、不易腐蚀（总不能让补上去的牙比真牙坏得更快吧）。而海军的需求本质上是一样的：如何让船保持清洁、不易腐蚀，同时不要污染海洋？ 基于在牙科材料的经验，布伦南知道材料表面结构会极大改变生物黏附（biological adhesion）性质，即生物能否附着在上面并继续生长。然而，似乎只要长期泡在海里，不光轮船要长海藻和藤壶，连大大小小的海洋动物也逃不过。你甚至偶尔还能见到市场上买回来的海鲜身上也长着藤壶，就像一座座迷你的“火山”。 一个偶然的机会，布伦南注意到有一种动物身上格外干净，那就是鲨鱼。他想看看鲨鱼的皮肤究竟有何不同之处，于是找了一套牙医用的印模工具，拜托一位会捕鲨的朋友弄到了鲨鱼皮肤的模型。接下来，他在显微镜下进行观察，发现鲨鱼表面排布着密密麻麻的肤齿，就像细小的鱼鳞一样。经过进一步的研究，他认为这种结构就是阻止藤壶等生物附着的关键。 鲨鱼肤齿，图片来源：Wikipedia 听起来这项技术马上就能在航海中大显身手了，但是科学发现的转化之路往往没那么简单。由于船舶体型巨大，而海洋环境又过于复杂，这一技术目前还没有被用到船舶上。倒是有别的科学家基于对贻贝的研究发明了一种强力胶水，可见海洋生物是多么顽强[1]。 布伦南教授继续进行研究，他改变纹理的尺寸和排列方式，探索不同的表面微形态（microtopography）如何影响材料的性质。他发现，这些肉眼看不见的高低起伏改变了材料的表面自由能（surface free energy）。他还筛选出一种特殊的纹理，就是呈菱形排列的横纹，微结构大约只有鲨鱼肤齿的二十分之一。不过，这些变化有什么用呢？ Sharklet纹路 又是一年夏天，一位倒霉的实习生加入了实验室。当时布伦南的实验室还在观察污垢和其他的小型海洋生物如何与材料表面发生相互作用，这位实习生被分配去研究大肠杆菌，那是人类肠道中的一种细菌，有的菌株会引发肠胃炎等疾病。布伦南告诉他，大肠杆菌感染在医院引发了很多问题，培养起来又非常简单，要不你来培养这种细菌试试吧，用那种菱形横纹表面的材料。 接下来，这位实习生花了好几个星期，尝试了许多种不同的培养方法和培养基，却都没能成功。他垂头丧气地带着数据去见布伦南教授，觉得自己一定没通过实习。布伦南却告诉他：这太完美了。 细菌繁殖对比 细菌往往借助被污染的液体传播，材料疏水的性质能让脏水更不容易附着，也就直接减少了细菌的停留。留下来的细菌也不容易大量生长繁殖，因为这些微米级的尺寸与细菌的尺寸相近，在一定程度上阻碍了细菌的运动、增殖和相互作用。 或许是由于研究牙科材料的经验，布伦南立刻意识到这种抗菌技术适合用来开发医疗器械。因此他与人共同创立了一家公司，取名Sharklet Technologies，鲨纹导尿管便成为他们最早的一款产品。根据2011年《泌尿学杂志》（Journal of Endourology）发表的一项研究，在实验室环境中，和不带纹路的导尿管相比，鲨纹导尿管上发生的大肠杆菌迁移减少了超过80%，群落大小下降了77% [2]。 Sharklet 导尿管。图片来源：cookmedical.eu 当然，性能的提升是有代价的。由于此精密技术通过当时早期开发的制造工艺实现，制造成本较传统导尿管高很多。 直到近些年，随着细菌抗药性危机的爆发，对抗菌技术的需求突然变得迫切起来，Sharklet Technologies才仿佛看到了曙光。 抗生素原本是微生物在生存竞争中用来杀死细菌的武器，但人类的加入打乱了这场竞争的节奏。在抗生素被投入使用的早期，它极大提升了人类对抗传染性疾病的能力；但是与此同时，抗生素的过度使用导致细菌耐药性和超级细菌的产生。如今，这些“超级细菌”已经发展成一个令人无法忽视的问题。 人类发现的第一种抗生素——青霉素，对抗甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）已经失效，这种细菌能造成久治不愈的伤口感染，经常发生在植入过医疗器械的患者身上。服用过抗生素的人还容易感染艰难梭菌（Clostridioides difficile），发生严重的腹泻，这种细菌被美国疾控中心（CDC）列入超级细菌中威胁等级最高的一级。事实上，根据CDC今年11月发布的最新报告，仅仅在美国，每年就有280万起耐药菌感染，导致35000人死亡 [3]。 显微镜下的艰难梭菌。图片来源：Wikipedia Sharklet Technologies市场与销售副总裁伊森·曼恩（Ethan Mann）介绍：“事实上，学界早在三四十年前就发现了这个趋势。在过去三十年中，没有新的抗生素门类被发现。我们直到今天还在使用那些老的抗生素，但是它们正在失去效力，所以我们需要其他的解决方案。Sharklet技术就提供了这样一个方案，恰好在我们需要它的时候。”Sharklet表面并不杀死细菌，而是通过物理手段抑制细菌的生长，从而避免了抗生素“筛选”耐药菌的问题。 更重要的是，在公司成立后的十多年时间里，工业生产技术也更加成熟，使得在合成革、塑料、硅胶等材料表面生产加工出这样的细微纹路变得更加容易，这为Sharklet的普及提供了更多的可能。Sharklet Technologies制造副总裁瑞恩·斯通伯格（Ryan Stoneberg）说：“目前我们主要关注如何将这种技术应用在塑料和橡胶上，因为这些产品非常容易用模具制作。我们还在改进生产过程，看看如何将这一技术应用到其他材料上。”  在人造革表面印制Sharklet纹路 今年12月3日，在“老人与海”发布会上，罗永浩正式对中国的媒体和公众介绍了Sharklet仿生学物理抗菌防污技术，中文名为“鲨纹”。目前预售中和计划上市的产品有儿童书包、旅行箱和筷子，未来还希望和更多生产商建立合作，让Sharklet进入日常生活的方方面面。 将这样一种原本应用于医疗器械的技术带进日常生活，有怎样的好处？曼恩说：“婴儿、儿童、老年人感染某些抗生素耐药菌的风险更高。比如随着年龄的衰老，人体的免疫系统会走下坡路，在日常生活中也可能会感染耐药菌。当老人患了肺炎或者受了外伤，他们的身体将更难抵抗这样的感染。这些人群是从Sharklet技术中受益最大的。不过，通过在日常生活中添加这样一个保护层，最终所有人都能从中受益。” 这种表面抗菌的具体原理仍然没有得到完全的了解，但是没关系，巴斯德发明疫苗的时候也没有完全理解自己在做什么。一个有待探索的问题是：分散在Sharklet表面的细菌生长更加缓慢，会不会是因为这种表面干扰了它们的“结盟”？曼恩介绍，近些年学界逐渐意识到，细菌并非一个个自由漂浮的孤立的个体，它们的社群比我们所想的更加复杂，“在光滑的表面上，微生物很容易聚集和生长，并且能够通过传递蛋白质、糖分等物质，促进种群的繁荣。但是在Sharklet这样支离破碎的表面上，微生物之间的连接被打破了，表面能的变化也会影响糖分、蛋白质的沉积，并影响生物膜（biofilm）的扩散，”他说。事实上，去年的一项研究还拍到了霍乱弧菌从同伴体内抓取一段DNA据为己有的瞬间，这样的基因转移（gene transfer）过程很可能促进了细菌耐药性的扩散 [4]。 Sharklet表面分散的细菌对比 原理的问题就留给基础科学去回答吧。在研发方面，Sharklet希望探索微结构的更多用途，让它在商业中大显身手。曼恩说：“在Sharklet的下一代产品中，有一种让我们格外期待，那就是伤口敷料。这是一种双层水凝胶，能像一层人造皮肤那样覆盖在伤口上，通过引导细胞移动和生长来促进伤口的愈合。通常，伤口上的细胞皮肤会以某种随机的方式生长，而我们发现可以通过利用比抗菌结构尺寸更大的Sharklet微结构，来加速愈合的过程。”这一技术也已经通过了实验室验证，在2016年发表了相关论文[5]。
图片来自研究论文，DOI: 10.1177/1535370216640943 看起来，Sharklet这样一个过早出现的答案，终于开始找到了一个个需要它的问题。在混沌中摸索前行才是科学技术进步的常态。这听起来不太激动人心，但如果你也想参与其中，通往未知的旅途显然比一眼能望到头的跑道要有趣得多。 参考来源： |
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