ウー・ダヨン丨マスク作りからがん検査まで、ナノファイバーは強力だ

わずか1ミリメートルの距離でも、

実際には、20 本の髪の毛を収納できます。

1ミリメートルにナノファイバーをいくつ配置できますか?

おそらく1万か2万くらいでしょう。

みなさんこんにちは。私は中国科学院物理化学研究所の呉大勇です。今日、私が皆さんにお話しする科学講義のテーマは「驚異のナノファイバー」です。

ナノファイバーについて話す前に、2 つの質問をしたいと思います。自然界の繊維とは何でしょうか?人工合成繊維はありますか？

私たちの日常生活において、最も一般的な生物繊維は実は綿です。私たちが着る服や掛け布団はすべて綿繊維で作られています。食器を洗うときに使うヘチマも、植物や農作物から採れる植物繊維です。動物繊維の中で、私たちの生活に最も関係が深いのはウールであり、次いでシルクです。人間の体には繊維があるのでしょうか？はい、髪です。

合成繊維であるアクリルやモダールという言葉を聞いたことがあるかもしれません。衣服に弾力性を与える繊維はライクラと呼ばれます。

実際、繊維はどこにでもあります。連続または不連続の糸状物質を指します。ナノメートルは長さの単位で、1ミリメートルの100万分の1です。実際、20 本の髪の毛を 1 ミリメートルほどの距離に配置することができます。 1ミリメートルにナノファイバーをいくつ配置できますか?おそらく1万か2万くらいでしょう。直径がナノメートルの繊維はナノファイバーと呼ばれます。

物質のサイズがナノスケールに達すると、以前とは異なる特性を示すようになります。これらの特性は多くの場合非常に重要です。だからこそ私たちはナノファイバーに注目しているのです。

まず、このような微細なナノファイバーがどのように作られるかを見てみましょう。

これを作成するために使用される技術は、エレクトロスピニングと呼ばれます。これは新しい技術ではありません。それは80年以上前の1934年に発明されました。原理は非常に単純です。チューブを使用してポリマー溶液を金属ノズルに輸送します。金属ノズルは非常に細く、病院で注射に使われる針とほぼ同じサイズです。ノズルを高電圧の直流電源に接続し、その反対側に金属製の受信装置を配置します。このデバイスは平らな形や他の形状にすることができます。その結果、ノズルと受信装置の間に高電圧電界が発生します。高電圧電界間には静電気力があり、ポリマー溶液をフィラメントに引き込むことができます。

電源を入れると針先の液滴が徐々に伸びていき、一気に噴出するのが分かります。スプレーは大丈夫ですか？もちろんナノメートルレベルなので大丈夫です。注意深い人なら、出てくるのは螺旋状のフィラメントであるはずだが、なぜ一度に噴出する塊が見えるのだろうかと疑問に思うかもしれない。これは、私たちの目がそれをはっきりと捉えるほど速くないからです。このプロセスを高速度カメラを使用して繰り返すと、答えがわかります。

上のアニメーションをご覧ください。時刻は14:28:12です。糸の 1 本の端が螺旋状に回転しているのがわかります。 12秒目が長く感じられるのは、超高速度カメラで撮影したためです。動画の長さは16秒ですが、撮影にはわずか0.3秒しかかかりませんでした。つまり、このビデオは、その作成過程をはっきりと確認できるように、500 倍以上スロー再生されています。

エレクトロスピニングのプロセスは素晴らしいです。ポリマー溶液の滴を電界内に置くと、電界の力によってポリマー溶液は引き伸ばされて尖った形になり、さらに引き伸ばされて円錐形になり、最終的に薄いナノジェットが噴射されます。ナノジェットが安定すると、小さな円錐が収縮して安定した状態になります。この円錐の学術名はテイラー円錐と呼ばれます。このプロセスには、電荷間の反発力や重力などの電界力など、非常に重要な多くの機械的特性があり、バネの機械的特性にも適合します。

以下は、私と同僚が 10 年前に作った電界紡糸生産ラインです。

長さは50メートルを超え、40以上のノズルグループが統合されており、各ノズルグループには12個以上のノズルがあります。元の原理装置にはノズルが 1 つしかなく、比較的効率が悪かったです。私たち科学者が科学技術を継続的に開発し、それを活力のある実用的なものにしたいのであれば、その開発を創造し促進するために私たちの知性と才能を活用する必要があります。

電界紡糸技術には複数の流派があります。これはチェコ共和国の科学者によって発明されたナノファイバーを製造する機械です。彼らは誇らしげにそれを「ナノスパイダー」と呼んでいます。これもナノファイバーを製造するプロセスですが、私たちが使用している方法とは異なります。最も顕著な違いは、当社のデバイスにはスプリンクラー ヘッドが付いていることです。動画に映っている往復装置は、金属線の原材料を補充するために使われています。

どちらの方法にもそれぞれ利点がありますが、「ナノスパイダー」にはまだ欠点があります。まず、原材料の供給が継続的ではないため、糸の長さが制限されます。 2番目に、下から上にしかスプレーできません。

当社の針状ノズル電界紡糸装置には、特殊な形状のナノファイバーを多数生産できるという、もう一つのユニークな機能があります。例えば、上の写真の左側は針で吹き付けた部分ですが、この繊維が私たちの収集装置に付着しており、その配列は不規則です。定期的にすることはできますか？難しいですが、方法はあります。 2 つの平行電極を使用して受信デバイスを構築すると、生成されたナノファイバーを平行に配置できます (上の図の右上)。受信電極を十字型にしたらどうなるでしょうか？すると、受け取ったナノマテリアルは交差構造を形成できるようになります (上記右下図)。

もちろん、他の構造や形状に織り込むこともできますが、前提条件があります。受信デバイスの電極を適切に設計する必要があります。 10 年以上前、私と私のチームは電界紡糸装置を開発しました。装置の受信部に多数のメッシュパターンを設計し、上図のような漁網のような構造を持つ繊維膜を実現しました。

これらの写真には、ニードルエレクトロスピニングのユニークな技術も示されています。各画像の下に定規があります。このような小さなスケールは肉眼では識別できず、走査型電子顕微鏡でのみ確認できます。これが繊維の微細構造です。左側の非常に細いファイバーはチューブのように中が空洞になっており、ファイバー内に 3 つの仕切りを埋め込むことができます。真ん中のものはさらにすごいです。直径数百ナノメートルの小さなチューブの中央に、より細いファイバーを埋め込むことができます。右側のものは表面にたくさんの穴が開いています。多孔質構造で非常に緩いです。触媒や薬剤を充填したり、特別な設計目的を達成するために使用できます。

さらに、何種類もの色素を混ぜて電界紡糸ノズルに注入すると、上図のような色鮮やかで絡み合った美しい繊維が得られます。

さらに創造的なアイデアがあれば、製造方法や装置を変更して、ナノファイバー上に結晶や長い棒が成長する構造にすることもできます。このような特殊な格子膜材料を非常に小さな寸法で作ることもできます。電界紡糸法を使って人工血管を作ることもできます。

構造のスタイルは他にもたくさんあり、制限されるのは私たちの想像力だけです。知性と革新的な方法を使う限り、魔法のようなものをたくさん手に入れることができます。日常生活において綿は非常に一般的ですが、その繊維は比較的粗いです。それで、ナノファイバーコットンは手に入るのでしょうか?もちろん。上の写真のような特殊な電界紡糸装置を作れば、綿花のようなものを紡ぎ出すことができます。

ナノファイバーの基礎知識と作製方法を紹介しました。ここで、ナノファイバーに関する科学的研究の実施方法についてお話ししたいと思います。

まずは簡単なものから始めましょう。 2017年の冬、北京の大気汚染は特に深刻でした。ある夜、機器で測定してみたところ、PM10のレベルが約2,000に達していることがわかりました。普通のマスクでは防御力が十分ではないのではないかと疑い始めました。何をするか？だったら自分で作ってみろよ。

そこで、ナノファイバーをフィルター素材として使ったマスクを作りました。ナノファイバーは帯電しており、汚染物質PM2.5やPM10も帯電していることが多いです。異なる種類の電荷が互いに引き合うことで、汚染粒子を固定して捕捉することができます。この原理に基づいて、最大98％の保護率を持つマスクを製造しました。通常のマスクよりも軽量で、通気性に優れ、着用時に息苦しさを感じにくく、保護効率も向上します。 2020年の春節が来たとき、全国どこでもマスクが手に入らなかったのですが、それでも良いマスクはたくさんありました。そこで私たちは、助けを必要としているすべての人にこれらの防護マスクを配布しました。流行の間、私たちはこの小さなマスクを使って何千人もの人々を助けました。

▲ナノファイバーの特性を利用して荷電粒子を吸着する

濾過効率最大98%の防護マスク

次の話はさらに興味深いです。 3Dプリントを使ってナノファイバーマスクを作りました。なぜこれをやりたいのですか?一度、どんな感じか体験してみたくて、自宅でこっそりフェイスマスクを顔に当ててみたことがあります。後になって、マスクが顔の形に合わず、着け心地が悪かったことに気付きました。

その後、私は自分にとって快適なマスクを作るべきだと考えました。3Dスキャンを使用して自分の顔の形のモデルを作成し、硬い型を印刷し、次にエレクトロスピニング法を使用して硬い型の上に自分用のマスクを作りました。このマスクについてどう思いますか？かっこいいですか？

このマスクには、さまざまな栄養素や病気の治療薬などを注入することもできるので、とても良いです。

前述のように、ナノファイバーは細いですが、中が空洞になり、表面に穴が開くことがあります。この状態から、薬を入れるとどのような効果があるのでしょうか？繊維表面の細孔からゆっくりと放出されます。服用した薬の効果は1時間程度ですが、穴の開いた繊維の中に入れると、12時間以上にわたって均一に放出されます。これを薬剤の徐放といいます。

非常に興味深い技術もあります。ナノファイバーに薬剤を充填できるので、そのようなナノファイバーを使って癌細胞を殺すことができるのでしょうか?

また、光条件下でがん細胞を殺す物質を生成できる物質をナノファイバーに充填する研究も行いました。上の写真の小さな点はすべて癌細胞です。左の列には癌細胞を殺す薬剤が添加されていませんが、右の列には添加されています。非常に短い時間で、左側に癌細胞が多く存在し、右側の薬が効いていることが結果から分かりました。右下の写真には小さな赤い点がいくつかありますが、これは死滅した癌細胞です。

もう一つ非常に興味深い研究があります。がんは人類の健康を脅かす主要な死因ですが、病院でのがん検査は面倒で費用もかかります。水の酸性度とアルカリ度を pH 試験紙で調べるといった簡単な方法で、血液中の癌細胞を特定することは可能でしょうか?

▲下側はナノファイバー膜基板

3年以上の努力の末、ついに発明に成功しました。まず、非常に高い多孔性を持つナノファイバー膜を作りました。これは繊維膜を何倍にも拡大したものです。ファイバーにたくさんの穴があることがわかります。次に、腫瘍マーカーを捕捉できる抗体をこの膜上に固定しました。

腫瘍マーカーとは何ですか?人体で腫瘍が成長すると、腫瘍は生き残るために血液に入るいくつかの物質を代謝します。代謝物の濃度が正常範囲を超えて検出された場合、人体に腫瘍があることがわかります。

そこで、腫瘍マーカーを捕捉するタンパク質をナノファイバー膜上に固定し、さらに色を呈示できる金コロイド粒子を加えました。検査対象のサンプルに腫瘍マーカーが含まれている場合、色が表示され、検出器によって敏感に捕捉されます。

マーカーの発色をもとに、膜にデザインを施しました。マーカー濃度が正常値を超えると、膜は色を示し始め、無色から薄いピンク色に変化します。マーカーの濃度が高くなるにつれて、色が濃くなります。この検査により、患者の血清に過剰な腫瘍マーカーが含まれているかどうかを簡単かつ直感的に判断できます。過去2年間、私たちは研究成果を臨床応用につなげたいと考え、病院とも協力してきました。

人工的な方法を用いて細胞を組織に培養し、さらに臓器に成長させる組織工学と呼ばれる科学的研究があります。現在、筋肉細胞、心筋細胞、動脈弁、間葉系幹細胞、皮膚組織、骨、血管など、多くの関連研究が進行中です。

組織工学における細胞培養に最も理想的な培地は何ですか?答えは、電界紡糸法で作られたナノファイバーです。これ以上に良い、あるいは適切な素材はありません。上のビデオは、私たちが作ったナノファイバーに対する細胞培養の効果を示しています。

さらに、私たちは実験室でナノファイバーを使って管状の足場を作り、平滑筋細胞と血管内皮細胞を培養して血管を模倣しました。

人体の血管は平滑筋細胞と内皮細胞で構成されており、多くの層で構成されています。さまざまな細胞を培養するには、さまざまな層の足場を作り、それをチューブに巻いて実際の血管をシミュレートする必要があります。

左の 16 枚の写真は、異なるステント位置の検出結果とさまざまな種類の細胞の成長を示しており、血管ステント内の平滑筋細胞と内皮細胞が良好に成長していることがわかります。右側は人工的に培養された血管の切片で、完全にリング状に成長しています。

結局のところ、なぜ私たちはナノファイバーを研究するのでしょうか?その理由は、国のニーズと科学研究への関心によるところが大きいです。

左の写真は私が子供の頃に大好きだった「未来をさまよう小さな賢者」という本の写真です。子どもの頃、私には二つの夢がありました。 1つ目は、小学校卒業後に中国人民大学付属高校に入学すること。 2つ目は、大きくなったら海軍の兵士になって祖国を守ることでした。その後、私は人民大学付属高校に入学しましたが、海軍には入隊しませんでした。しかし、成長するにつれて、祖国を守るために兵士になる必要はなく、科学者にもなれることに徐々に気づきました。新しい技術や武器を研究することで、私たちは祖国を守ることができます。

映画「スパイダーマン」では、主人公は手を伸ばすだけで繊維を噴射することができます。これはナノファイバーだろうか？と考えていました。なぜそんなに強いのでしょうか？そのような素材を作ることは可能でしょうか？誰もが好奇心を持ち続け、探求する勇気を持ち、自分だけの栄光を創造できることを願っています。

私のスピーチは以上です。ありがとうございました！

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記事とスピーチは著者の見解のみを表しており、格智倫道フォーラムの立場を表すものではありません。