文章来源：西湖大学 WestlakeUniversity
当一艘远洋货轮航行在太平洋上；
当黑色原油以每秒 1.5 米的速度在管道内流动；
当手术病人的导尿管开始充满了淡黄色的液体；
当一种药物被注射进入人体的红色的血液中。
●程钢在实验室
从宏观到微观，上述情景，都要面临同一个问题。
这个问题，十几年来，一直在程钢大约 1500ml 容积的颅内里打转。
在国外求学和任教近 20 年后，程钢从伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）离职，全职加盟西湖大学工学院，组建生物材料以及分子工程实验室。实验室的搭建需要耗时数月，接近尾声的时候，我们在他的办公室聊了聊。
上午 10 点，阳光正好进入办公室的一个角落。
「我经常对做生物的人说我是做化学的，对做化学的人说我是做生物的。」程钢这样调侃自己的研究范围。他的家乡在中俄边境的一个小城，双鸭山市饶河县，隔着乌苏里江和俄罗斯相望。
世界总是充满了边界。在科学研究中，宏观和微观往往就有一个分界线。
但在程钢这，界线消失了。
对于大海航行的船只，相比乘风破浪，还有一个更棘手的问题。海洋中的生物会附着滋生，影响船体航行速度，甚至导致腐蚀破坏船体结构，影响安全。可不要小看对阻力的影响，最大可以导致阻力增大至 60%，而这个问题有一个专门的名词：
｜生物垢（biofoul）
而在导尿管里将要发生的事情，和波涛汹涌的大海「类似」——尿液中的细菌会在导管壁上形成菌膜，影响使用。目前临床使用的导尿管，需要 1 到 4 周更换。
类似的问题还有很多——人造心脏瓣膜的钙化、血管支架引起的凝血、家中浴室或水管里的水垢和霉菌、甚至是牙齿上的牙菌斑……烦人的生物垢问题无处不在，困扰了人类数千年。
而这些生物垢的形成是否有一个共通的机理？反过来思考，人类想要避免这个问题，是否可以找到一些通用的解决办法？
在程钢这样的研究者眼里，生物体相关的生物大分子无非四种——蛋白质、核酸、脂类、多糖类。那么，这个看似跨越宏观和微观的问题，可以「抽象」为这四类物质和材料的「粘合」。
1999 年，程钢从北京化工大学生物化学工程本科毕业，随后进入前化工部第一设计院工作。工作了 3 年，他决定去美国学习微生物工程。继续深造，本是他计划之内。硕士毕业后，他又攻读了化学工程的博士。这样的交叉背景，让他对生物、化学和工程之间有着独到的思考。
「生物的很多的现象是基于特异性的相互作用，并不这意味着你能够发现它不发生非特异性相互作用的原因，这是两回事，是不是？」程钢反问我。
我们来「翻译」下这句话——当你知道这些生物分子如何会「粘合」，但这不意味着你找到了让他们不「粘合」的方法。
两种物质「粘合」是一种特异性，但抵抗生物垢所需要的材料，需要非特异性，它需要尽可能广泛的普适性。
大概在 25 年前，美国哈佛大学的教授 George Whitesides——中国网友也称他为白边教授——提出了自己对这个「普适性」的一种思考。他以单蛋白体系为例，如果一个材料需要和蛋白不发生「粘连」，需要满足「三大规律」：
｜亲水、氢健的供体、电中性
电中性很好理解，带电容易产生吸附。而前面两个特征，都和水有关，意味着材料表面形成水合层，从而「阻断」生物物质在表面的「生长」。
●George Whitesides / 图源 wyss.harvard.edu
在这个思想的指引下，科学界开始寻找能够抵抗「生物垢」的材料。早期探索的一个材料是聚乙二醇，它的结合水层是靠氢键完成的，抗粘附相对较弱一点，而且它的结构不稳定，长期会氧化、断裂。另外，这一类材料且有免疫原性，不适合生物体内的应用。
在程钢还在美国读博士的时候，他就开始了抗「生物垢」材料的探索。那时，如果你对一位美国医生说，你开发出了抗菌的导尿管材料，对方会觉得你在天方夜谈。
但当时科学界已经在尝试各种材料中寻找可能。比如从甜菜中提炼的羧基甜菜碱，这种化合物整体上呈现电荷平衡，而正负电荷在分子水平均匀分布。另外，相比通过氢键作用产生的水合效应，羧基甜菜碱的水合效应更强。
通俗地讲，羧基甜菜碱会在材料表面「拉拢」一层水分子，并把蛋白质排开。这正是抗生物粘附性的根源。羧基甜菜碱的发现，慢慢打开了一个新的研究大门：
｜两性离子聚合物
2008 年，程钢首次验证一种两性离子聚合物材料，它能够让绿脓杆菌菌膜在十天内无法形成。十天，在当时已经是一个巨大的突破，这是为什么？
●实验室里的两性离子材料样品 / 受访者供图
「亲水性好的材料，往往也不太「稳定」，容易就跟水跑了。」程钢继续说。上午的阳光悄悄在办公室里移动，已经形成了一条光带。
这就需要继续对聚合物材料进行「设计」，比如，加入聚氨酯，增加化合物的「机械强度」。而一种高分子化合物，可以在设计层面千变万化，程钢关注的，是寻找这些设计的「通用法则」。
这个过程中，程钢不断延长抗菌的「时间记录」。最新的记录是六个月——有效抑制绿脓杆菌和表皮葡萄球菌形成菌膜。从 10 天，到 6 个月，这个过程让程钢用了——
｜12 年
正如打通宏观和微观的边界，程钢倡导「全光谱研究」——从化合物的设计，到解决应用的问题，这是一条漫长的链条。但作为研究者，应该了解其中每一个环节。
每一种化合物的探索设计，它更应该是一个「材料平台」，在这个平台上可以开发出不同的应用材料。这就是为什么，在大海里保护船只的涂料，和在血管里保护药物的聚合物，有着共通之处。
毕竟，大海和血管，同样充满了各种不确定性和风险。
当药物进入血液，距离它的目的地，还有一段漫长而凶险的旅程。它可能被免疫系统识别捕获，也可能和血管内的各种蛋白质「粘连」。在还没有发挥药效的时候，药就先「阵亡」了。
特别是 RNA 核酸药物，需要送入细胞内部，其难度堪比登月。这个时候，程钢和他的团队，就还需要设计药物穿过细胞膜的机制，让聚合物「加挂」一些「配件」，让它能和细胞膜产生反应。聚合物就像是护送药物的「飞船」，安全稳定之外，还要确保药物能——
｜降落到「星球」上
科学的想象力，超越了我们日常经验的边界。比如，目前锂电池的能量密度已经呈现一定的瓶颈，而其老化问题依然不可避免。目前学术界正在尝试两性离子材料和锂电池相结合的研究，利用阴离子和锂离子相互作用提升电导率，而两性离子的阳离子部分，又能和阴离子作用，提高离子迁移数。而目前这样的研究正处在早起探索阶段。
●程钢：哪怕 1% 的细菌在材料表面生长，也往往意味着接下来会变成 99%
实验室搭建完毕，程钢和他的团队正紧密地着手新的探索。未来，他们开发的材料，可能应用出现在导尿管中，可能帮助药物抵达细胞的深处，可能护送船只长风破浪，可能在疾驰的新能源汽车上默默发挥着作用。
两个小时的聊天接近尾声的时候，太阳已经几乎调转方向，直射向办公桌。程钢特别说到，George Whitesides 的那篇论文，发表在一个很普通的期刊，但这完全不影响它的重要性。
对于一个工科研究者来说，这个世界就是最顶级的「期刊」，最好的论文是那些能解决问题的方案。正如程钢自己所说：
｜我们最大的乐趣是创造世界上本不存在的东西。
转自：“丁香学术”微信公众号
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