Wu Dayong丨Von der Maskenherstellung bis zur Krebsvorsorge sind Nanofasern so leistungsstark

Eine Distanz von nur einem Millimeter,

Tatsächlich kann es zwanzig Haare aufnehmen.

Wie viele Nanofasern passen auf einen Millimeter?

Wahrscheinlich etwa 10.000 oder 20.000.

Hallo zusammen, mein Name ist Wu Dayong vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Das Thema meines heutigen wissenschaftlichen Vortrags lautet „Die wunderbaren Nanofasern“.

Bevor ich anfange, über Nanofasern zu sprechen, möchte ich Ihnen zwei Fragen stellen: Was sind Fasern in der Natur? Gibt es künstliche Kunstfasern?

In unserem täglichen Leben ist Baumwolle tatsächlich die am häufigsten vorkommende Biofaser. Die Kleidung, die wir tragen, und die Decken, die wir bedecken, bestehen alle aus Baumwollfasern. Auch die Luffas, die wir zum Geschirrspülen verwenden, bestehen aus Pflanzenfasern von Pflanzen und Nutzpflanzen. Unter den tierischen Fasern ist Wolle am engsten mit unserem Leben verbunden, gefolgt von Seide. Verfügt unser menschlicher Körper über Ballaststoffe? Ja, es sind Haare.

Sie haben vielleicht schon von Acryl und Modal gehört, beides synthetische Fasern. Die Faser, die unserer Kleidung Elastizität verleiht, heißt Lycra.

Tatsächlich sind Fasern überall. Sie beziehen sich auf kontinuierliche oder diskontinuierliche filamentöse Substanzen. Nanometer ist eine Längeneinheit, die einem Millionstel Millimeter entspricht. Tatsächlich können zwanzig Haarsträhnen in einem Abstand von nur einem Millimeter platziert werden. Wie viele Nanofasern passen auf einen Millimeter? Wahrscheinlich etwa 10.000 oder 20.000. Fasern mit Nanometerdurchmesser werden Nanofasern genannt.

Wenn die Größe eines Materials den Nanobereich erreicht, weist es andere Eigenschaften auf als zuvor. Diese Eigenschaften sind oft sehr wichtig. Aus diesem Grund beschäftigen wir uns mit Nanofasern.

Zunächst müssen wir uns ansehen, wie solche feinen Nanofasern hergestellt werden.

Die zur Herstellung verwendete Technologie heißt Elektrospinnen. Dies ist keine neue Technologie; Es wurde 1934 erfunden, also vor mehr als achtzig Jahren. Das Prinzip ist ganz einfach. Über ein Rohr wird die Polymerlösung zu einer Metalldüse transportiert. Die Metalldüse ist sehr dünn und hat ungefähr die gleiche Größe wie eine Injektionsnadel im Krankenhaus. Schließen Sie die Düse an Hochspannungs-Gleichstrom an und platzieren Sie gegenüber ein metallisches Empfangsgerät. Dieses Gerät kann flach sein oder andere Formen haben. Dadurch wird zwischen der Düse und dem Empfangsgerät ein elektrisches Hochspannungsfeld erzeugt. Zwischen Hochspannungsfeldern entsteht eine elektrostatische Kraft, die die Polymerlösung zu Filamenten zusammenziehen kann.

Sie können sehen, dass beim Einschalten der Stromversorgung ein Tropfen an der Nadelspitze allmählich gedehnt und dann plötzlich ausgestoßen wird. Ist das Spray in Ordnung? Natürlich ist das in Ordnung, denn es handelt sich um eine Nanometerebene. Ein vorsichtiger Mensch könnte fragen: Was herauskommen sollte, ist ein spiralförmiger Faden, aber warum sehen wir einen Klecks, der auf einmal ausgestoßen wird? Dies liegt daran, dass unsere Augen nicht schnell genug sind, um es klar zu erfassen. Wenn wir diesen Vorgang mit einer Hochgeschwindigkeitskamera wiederholen, erfahren wir die Antwort.

Bitte schauen Sie sich die Animation oben an. Es ist 14:28:12. Wir können sehen, dass das Ende eines der Fäden spiralförmig herumwirbelt. Der Grund, warum die 12. Sekunde so lang erscheint, liegt darin, dass sie mit einer Ultrahochgeschwindigkeitskamera aufgenommen wurde. Das Video ist 16 Sekunden lang, die Aufnahme dauerte jedoch nur 0,3 Sekunden. Mit anderen Worten: Dieses Video wurde mehr als fünfhundert Mal verlangsamt, damit wir den Entstehungsprozess deutlich sehen können.

Der Elektrospinnprozess ist erstaunlich. Wenn ein Tropfen einer Polymerlösung in ein elektrisches Feld gegeben wird, wird er durch die Kraft des elektrischen Felds gestreckt, bekommt eine spitze Form und dehnt sich weiter, bis ein Kegel entsteht. Schließlich wird ein dünner Nanostrahl ausgestoßen. Wenn sich der Nanojet stabilisiert, schrumpft der kleine Kegel zurück und nimmt einen stabilen Zustand an. Der wissenschaftliche Name dieses Kegels lautet Taylor-Kegel. Dieser Prozess weist viele sehr bedeutende mechanische Eigenschaften auf, darunter elektrische Feldkräfte, einschließlich der Abstoßung zwischen Ladungen, Schwerkraft und entspricht auch den mechanischen Eigenschaften von Federn.

Unten sehen Sie eine Elektrospinn-Produktionslinie, die meine Kollegen und ich vor zehn Jahren gebaut haben.

Es ist über fünfzig Meter lang und integriert mehr als vierzig Düsengruppen mit jeweils mehr als einem Dutzend Düsen. Das ursprüngliche Prinzipgerät verfügte nur über eine Düse und war relativ ineffizient. Wenn wir als Wissenschaftler eine wissenschaftliche Technologie kontinuierlich weiterentwickeln und sie lebenswichtig und praktisch machen wollen, müssen wir unsere Intelligenz und Talente nutzen, um ihre Entwicklung zu ermöglichen und zu fördern.

Es gibt mehr als eine Schule der Elektrospinntechnologie. Dies ist eine Maschine zur Herstellung von Nanofasern, die von Wissenschaftlern in der Tschechischen Republik erfunden wurde. Sie nennen sie stolz die „Nanospinne“. Auch hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Nanofasern, das sich von der von uns verwendeten Methode unterscheidet. Der auffälligste Unterschied besteht darin, dass unser Gerät über einen Sprinklerkopf verfügt; Das im Video gezeigte Hin- und Herbewegungsgerät dient zum Nachfüllen von Rohmaterial für den Metalldraht.

Beide Methoden haben ihre eigenen Vorteile, aber „Nanospinnen“ haben immer noch Mängel. Erstens ist die Rohstoffversorgung nicht kontinuierlich, sodass die Länge des Fadens begrenzt ist. zweitens kann nur von unten nach oben gesprüht werden.

Unser Elektrospinngerät mit nadelförmiger Düse verfügt über eine weitere einzigartige Fähigkeit: Es kann viele Nanofasern mit speziellen Formen herstellen. Beispielsweise wird die linke Seite des obigen Bildes mit einer Nadel besprüht, aber diese Fasern lagern sich auf unserem Auffanggerät ab und ihre Anordnung ist unregelmäßig. Können wir sie regelmäßig machen? Es ist schwierig, aber es gibt Möglichkeiten, es zu tun. Wenn wir zwei parallele Elektroden verwenden, um ein Empfangsgerät zu bauen, können die erzeugten Nanofasern parallel angeordnet werden (oben rechts im obigen Bild). Was wäre, wenn die Empfangselektrode kreuzförmig wäre? Die entstandenen Nanomaterialien können dann eine Kreuzstruktur bilden (Bild unten rechts oben).

Natürlich kann es auch in andere Strukturen und Formen eingewebt werden, aber es gibt eine Voraussetzung: Wir müssen die Elektroden des Empfangsgeräts gut gestalten. Vor über einem Jahrzehnt haben mein Team und ich ein Elektrospinngerät entwickelt. Wir haben auf dem Empfangsgerät des Geräts viele Maschenmuster entworfen und eine Fasermembran mit einer fischernetzartigen Struktur erhalten, wie oben gezeigt.

Diese Bilder zeigen auch die einzigartigen Fähigkeiten des Nadelelektrospinnings. Unter jedem Bild befindet sich ein Lineal. Ein so kleiner Maßstab ist mit bloßem Auge nicht zu erkennen und kann nur mit einem Rasterelektronenmikroskop sichtbar gemacht werden. Dies ist die Mikrostruktur der Faser. Die sehr dünne Faser auf der linken Seite ist hohl, wie ein Rohr, und in die Faser können drei Trennwände implantiert werden. Das in der Mitte ist noch erstaunlicher. In der Mitte des Röhrchens mit einem Durchmesser von mehreren hundert Nanometern kann eine dünnere Faser implantiert werden. Das rechte hat viele Löcher auf seiner Oberfläche. Es hat eine poröse Struktur und ist sehr locker. Es kann zum Laden von Katalysatoren oder Medikamenten oder zum Erreichen bestimmter spezieller Designzwecke verwendet werden.

Wenn wir außerdem viele verschiedene Pigmente miteinander mischen und sie in die Elektrospinndüse einspritzen, können wir bunte, verwickelte und schöne Fasern wie die oben gezeigte erhalten.

Wenn wir kreativere Ideen haben, können wir auch die Herstellungsmethode und die Ausrüstung ändern, um aus den Nanofasern Strukturen zu machen, auf denen Kristalle oder lange Stäbe wachsen. Wir können solche speziellen Gittermembranmaterialien sogar in sehr kleinen Abmessungen herstellen; Wir können Elektrospinnen sogar zur Herstellung künstlicher Blutgefäße verwenden.

Es gibt noch viele weitere Baustile und wir sind nur durch unsere Vorstellungskraft begrenzt. Solange Sie Ihre Intelligenz und innovative Methoden einsetzen, können Sie viele magische Dinge erreichen. Im Alltag ist Baumwolle weit verbreitet, ihre Fasern sind jedoch relativ grob. Können wir also Nanofaser-Baumwolle bekommen? Natürlich. Solange Sie ein spezielles Elektrospinngerät wie das auf dem Bild oben herstellen, können Sie wattebauschähnliche Dinge spinnen.

Ich habe die grundlegenden Kenntnisse und Herstellungsmethoden von Nanofasern vorgestellt. Jetzt möchte ich Ihnen zeigen, wie Sie wissenschaftliche Forschungen zu Nanofasern durchführen.

Beginnen wir mit den einfachen. Im Winter 2017 war die Luftverschmutzung in Peking besonders stark. Eines Nachts habe ich mit einem Messgerät eine Messung durchgeführt und festgestellt, dass der PM10-Wert bei etwa 2.000 lag. Ich begann zu vermuten, dass gewöhnliche Masken möglicherweise keinen ausreichenden Schutz bieten würden. was zu tun? Dann machen Sie selbst eines.

Also haben wir eine Maske mit Nanofasern als Filtermaterial hergestellt. Nanofasern sind aufgeladen und auch die Schadstoffe PM2,5 und PM10 sind häufig aufgeladen. Unterschiedliche Arten elektrischer Ladungen ziehen sich gegenseitig an, wodurch Schadstoffpartikel fixiert und eingefangen werden können. Basierend auf diesem Prinzip haben wir Masken mit einer Schutzrate von bis zu 98 % hergestellt. Sie ist leichter als herkömmliche Masken, atmungsaktiver und nicht stickig beim Tragen, während sie gleichzeitig die Schutzeffizienz verbessert. Als das Frühlingsfest 2020 kam, waren im ganzen Land keine Masken erhältlich, aber wir hatten trotzdem so viele gute Masken. Also haben wir diese Schutzmasken an alle verteilt, an diejenigen, die Hilfe brauchten. Während der Epidemie haben wir mit dieser kleinen Maske Tausenden von Menschen geholfen.

▲ Nutzung der Eigenschaften von Nanofasern zur Adsorption geladener Teilchen

Schutzmaske mit einer Filtereffizienz von bis zu 98 %

Die folgende Geschichte ist noch interessanter. Ich habe 3D-Druck verwendet, um eine Nanofasermaske herzustellen. Warum möchten Sie das tun? Einmal habe ich mir zu Hause heimlich eine Gesichtsmaske aufs Gesicht aufgetragen, weil ich mal ausprobieren wollte, wie sich das anfühlt. Später empfand ich sie als ziemlich unbequem, da die Maske nicht zu meiner Gesichtsform passte und das Tragen unangenehm war.

Später dachte ich, ich sollte es mir bequem machen: mit 3D-Scan ein Modell meiner Gesichtsform erstellen, eine harte Form drucken und dann mit der Elektrospinnmethode eine Maske für mich auf der harten Form herstellen. Was haltet ihr von dieser Maske? Ist es cool?

Wir können in diese Maske auch verschiedene Nährstoffe, Medikamente zur Behandlung von Krankheiten usw. injizieren, was sehr gut ist.

Wie bereits erwähnt, können Nanofasern, obwohl sie dünn sind, hohl werden und Löcher an der Oberfläche aufweisen. Welchen Effekt wird es auf der Grundlage dieser Erkrankung haben, wenn das Medikament verabreicht wird? Es wird langsam durch die Poren auf der Faseroberfläche freigesetzt. Das von Ihnen eingenommene Medikament wirkt möglicherweise eine Stunde lang, wenn Sie es jedoch in eine Faser mit Löchern füllen, kann es über 12 Stunden oder länger gleichmäßig freigesetzt werden. Dies wird als verzögerte Freisetzung des Arzneimittels bezeichnet.

Darüber hinaus gibt es eine sehr interessante Technologie: Da sich Nanofasern mit Medikamenten beladen lassen, stellt sich die Frage, ob wir solche Nanofasern auch zum Abtöten von Krebszellen verwenden können.

Wir haben auch an der Beladung von Nanofasern mit Substanzen geforscht, die unter Lichtbedingungen krebszelltötende Substanzen produzieren können. Die kleinen Punkte im Bild oben sind alles Krebszellen. In der linken Spalte sind keine krebszelltötenden Medikamente enthalten, in der rechten Spalte hingegen schon. Schon nach sehr kurzer Zeit zeigten die Ergebnisse, dass sich auf der linken Seite mehr Krebszellen befanden, was darauf hindeutete, dass das Medikament auf der rechten Seite wirkte. Im unteren rechten Bild sind einige kleine rote Punkte zu sehen. Dabei handelt es sich um abgetötete Krebszellen.

Es gibt auch eine andere sehr interessante Studie. Krebs ist eine der häufigsten Todesursachen und bedroht die menschliche Gesundheit. Krebsvorsorgeuntersuchungen in Krankenhäusern sind jedoch mühsam und teuer. Ist es möglich, Krebszellen im Blut mit einer einfachen Methode zu identifizieren, etwa mit pH-Papier, um den Säure- und Alkaligehalt von Wasser zu testen?

▲ Die Unterseite ist das Nanofasermembransubstrat

Nach mehr als drei Jahren harter Arbeit haben wir es endlich erfunden. Zunächst haben wir eine Nanofasermembran mit sehr hoher Porosität hergestellt. Dies ist die Fasermembran nach vielfacher Vergrößerung. Sie können sehen, dass die Faser viele Löcher aufweist. Anschließend immobilisierten wir Antikörper, die Tumormarker auf dieser Membran erfassen können.

Was sind Tumormarker? Wenn im menschlichen Körper ein Tumor wächst, muss der Tumor, um zu überleben, bestimmte Produkte verstoffwechseln, die ins Blut gelangen. Wenn die Konzentration der Metaboliten den Normalbereich überschreitet, kann dies auf einen Tumor im menschlichen Körper hinweisen.

Also fixierten wir das Protein, das Tumormarker auf der Nanofasermembran einfängt, und fügten kolloidale Goldpartikel hinzu, die Farbe anzeigen können. Wenn die zu testende Probe Tumormarker enthält, wird diese farbig dargestellt und vom Detektor empfindlich erfasst.

Basierend auf der Farbentwicklung des Markers haben wir einige Designs auf der Membran erstellt. Wenn die Markerkonzentration den Normalwert überschreitet, beginnt die Membran, sich zu verfärben; der Farbwechsel erfolgt von farblos nach hellrosa. Mit zunehmender Konzentration des Markers wird seine Farbe dunkler. Mit diesem Test lässt sich einfach und intuitiv feststellen, ob das Serum des Patienten übermäßig viele Tumormarker enthält. In den vergangenen zwei Jahren haben wir auch mit Krankenhäusern zusammengearbeitet, in der Hoffnung, Forschungsergebnisse in die klinische Anwendung zu überführen.

Es gibt ein wissenschaftliches Forschungsgebiet namens Tissue Engineering, bei dem künstliche Methoden verwendet werden, um Zellen zu Geweben zu züchten und diese dann zu Organen heranwachsen zu lassen. Derzeit laufen zahlreiche damit verbundene Forschungsarbeiten, unter anderem zu Muskelzellen, Kardiomyozyten, Arterienklappen, mesenchymalen Stammzellen, Hautgewebe, Knochen, Blutgefäßen usw.

Welches ist das ideale Medium für die Zellkultivierung im Tissue Engineering? Die Antwort sind Nanofasern, die durch Elektrospinnen hergestellt werden. Es gibt kein besseres oder geeigneteres Material. Das obige Video zeigt die Wirkung der Zellkultivierung auf die von uns hergestellten Nanofasern.

Darüber hinaus haben wir Nanofasern verwendet, um im Labor röhrenförmige Gerüste herzustellen, und glatte Muskelzellen und vaskuläre Endothelzellen kultiviert, um Blutgefäße zu simulieren.

Die Blutgefäße des menschlichen Körpers bestehen aus glatten Muskelzellen und Endothelzellen und sind vielschichtig. Wir müssen Gerüste in verschiedenen Schichten herstellen, um unterschiedliche Zellen zu kultivieren, und sie dann in ein Röhrchen rollen, um echte Blutgefäße zu simulieren.

Die 16 Bilder links zeigen die Erkennungsergebnisse verschiedener Stentpositionen und das Wachstum verschiedener Zelltypen, was darauf hindeutet, dass die glatten Muskelzellen und Endothelzellen im Gefäßstent gut wachsen. Rechts ist ein Stück künstlich gezüchteter Blutgefäße zu sehen, das vollständig zu einem Ring verwachsen ist.

Warum untersuchen wir schließlich Nanofasern? Der Grund hierfür liegt zum Teil in den Bedürfnissen des Landes und zum Teil in meinem Interesse an wissenschaftlicher Forschung.

Das Bild links ist ein Bild meines Lieblingsbuchs aus meiner Kindheit mit dem Titel „Little Smart Wandering in the Future“. Als ich ein Kind war, hatte ich zwei Träume. Das erste war die Aufnahme in die der Renmin-Universität Chinas angeschlossene High School nach dem Grundschulabschluss. Das zweite war, als Erwachsener Marinesoldat zu werden und das Vaterland zu verteidigen. Später wurde ich an der der Renmin-Universität angeschlossenen High School aufgenommen, ging jedoch nicht zur Marine. Doch als ich älter wurde, wurde mir allmählich klar, dass ich kein Soldat sein muss, um das Vaterland zu verteidigen. Ich kann auch Wissenschaftler sein. Wir können unser Vaterland immer noch verteidigen, indem wir neue Technologien und Waffen erforschen.

Im Film Spider-Man kann der Protagonist Fasern versprühen, indem er einfach seine Hand ausstreckt. Ich dachte: Ist das Nanofaser? Warum ist es so stark? Ist es uns möglich, ein solches Material herzustellen? Ich hoffe, dass jeder seinen neugierigen Geist bewahren und den Mut haben kann, Neues zu erforschen und den Ruhm zu schaffen, der ihm gebührt.

Das ist alles zu meiner Rede, danke!

- ENDE -

Die Artikel und Reden geben lediglich die Ansichten des Autors wieder und stellen nicht die Position des Gezhi Lundao Forums dar.