南方医科大学周东方教授课题组：防控新冠肺炎的生物安全材料研究进展

01主要亮点

从对新冠肺炎的检测、预防和治疗三个方面综述了防控新冠肺炎的生物安全材料研究进展，包括病原体检测、疫苗及其佐剂、个人防护、消毒、 药物、治疗方式等方面， 总结了新型材料在生物安全防控中的应用。 最后，对生物安全材料在防控新冠肺炎等突发传染病中存在的问题和挑战进行了总结和展望。

02研究背景、意义、现状

新冠肺炎突发卫生事件使人类面临前所未有的挑战。新冠肺炎疫苗和其他治疗方式、检测手段、个人防护装备的开发和部署暴露了现有全球医疗体系、全球应急准备、制造和相关供应链的不足。现在研究人员融合材料学与生物安全学，正尝试运用材料的光、电、声、磁和热等多特性来设计和制备多功能的新型生物安全材料，以期满足检测、预防和治疗各方面的生物安全防控所需。为了克服传统材料的不足与缺点，采用新型生物安全材料来改善检测手段或提供新式检测方法，生产多功能口罩、防护服，开发多种、高效、低毒药物与疫苗，都有助于做好医疗紧急物资储备，有利于抗击新冠肺炎大流行。同时，基于基础研究和实际问题，加快产业化速度，未来才能够更好地应对其他新发突发传染病流行。虽然生物安全材料尚在起步阶段，但是已有部分新型材料被成功应用到生物安全防护之中。 本文从对新冠肺炎的检测、预防和治疗三个方面综述了防控新冠肺炎的生物安全材料研究进展，包括病原体检测、疫苗及其佐剂、个人防护、消毒、 药物、治疗方式等方面， 总结了新型材料在生物安全防控中的应用。 最后，对生物安全材料在防控新冠肺炎等突发传染病中存在的问题和挑战进行了总结和展望。

03核心内容

a生物安全材料的检测作用

目前，新冠肺炎标准的检测方法是病毒核酸实时聚合酶链式反应，其检测时间长、成本高和需要医护人员操作。美国加州理工学院采用石墨烯材料，成功用激光雕刻技术制备出介孔3D石墨烯结构迷你传感器，只需少量唾液或血液，无须医护人员在旁，10min内便可完成检测，日后有望让民众在家中自行诊断是否感染。在河北此轮疫情中，出现一些经多次核酸检测才检出阳性的确诊病例，假阴性率高。厦门大学与北京万泰生物制药企业有限公司联合攻关，成功研发出基于化学发光粒子免疫分析的新型冠状病毒抗体检测试剂盒，利用双抗原检测技术有效地降 低假阳性率、提高感染者发现率。同时，金纳米材料与互补DNA序列偶联的生物传感器可以用于检 测SARS-CoV-2的杂交cDNA，其利用等离子体光热效应和局域表面等离子体共振的双功能来提高传感能力。纳米材料、聚合物薄膜、金属配合物、磁性材料等制成的生物传感器已广泛应用于H5N1禽流感病毒、埃博拉病毒和寨卡病毒等引起的突发传染病检测研究中，均有响应速度快、灵敏度高、选择性好和易于小型化等优点。另外，纳米酶作为一种具有类酶特性的纳米材料，在生物传感系统中得到了极大关注。例如，Yan的团队开发了一种基于Fe3O4磁性纳米颗粒的纳米酶试条，用于检测埃博拉病毒，其灵敏度比标准试纸法高100倍，从而为各种病原体的诊断提供了一种有价值的简单筛查工具。

b生物安全材料的预防作用

疫苗方面，现已有几种生物安全材料用于病毒疫苗的体内递送和控释，其中以脂质体、腺病毒为载体的部分疫苗已投产或在三期临床试验中。BioNTech/Pfizer和Moderna将他们的mRNA疫苗封装在脂质体纳米粒中，以保护ｍRＮＡ不被核酸酶降解，提高疫苗稳定性，增加免疫途径，获得更好的免疫效果。以腺病毒为载体的SARS-CoV-2疫苗也正在三期临床试验中，其优点是便宜、量大和易存储。此外，如脂肪链修饰的低相对分子质量聚乙烯亚胺和聚β氨基酯等聚合物可以传递DNA和mRNA。鱼精蛋白作为一种 天然阳离子蛋白，可以与带负电荷的核酸形成复合物，从而被用来传递mRNA和刺激免疫反应。

个人防护方面，香港理工大学 Li团队在普通口罩的低熔点非织造布表面上沉积石墨烯，开发出一款兼备光热性能、超疏水性和可回收性的口罩，其 在阳光下即可迅速升温自清洁，为延长口罩使用寿命提供了新方法。目前，一些生物安全材料正用 于制备可自清洁的新式口罩，如金属有机骨架（ＭＯＦs）（如图１a）、TiO2纳米线（如图１ｂ）、石墨烯 （如图１ｃ）和纳米银等粒子体等，均可通过光催化杀灭新冠病毒。不同于光催化，纳米酶具有类生 物酶催化活性。铁基纳米酶可以靶向催化破坏流感病毒的脂质囊膜，可高效杀灭诸如H1N1、H5N1和H7N9等12种较流行的亚型流感病毒，未来有望广泛应用于抗病毒口罩（如图１d）。许多科研人员尝试使防护服获得抗病 毒能力。一般用金属、金属离子、金属纳米粒和无机材料等生物安全材料涂于织物表面，来获得抗病毒的防护织物。东华大学纺织学院重点实验室与美国加州大学合力攻关，成功研发了一种日光可驱动的且可循环使用的抗菌和抗病毒的纳米纤维膜，可用于生物防护材料，为可持续、自我充电的生物安全 材料的开发提供新的见解。同时，天津大学高分子系董岸杰、张建华课题组将氟化硅球、季铵盐化硅 球这两种功能化纳米粒子浸涂／喷涂在织物表面，赋予织物超疏水性与高效抗菌性能。

图1 用于新式口罩的生物安全材料

c生物安全材料的治疗作用

Lin等提出了利用纳米粒子的光动力疗法来杀灭病毒，他们采用表面接枝光敏剂分子锌酞菁的氟化钇钠制成上转换发光纳米颗粒，随后用聚乙烯亚胺包覆，形成的碳纳米管具有抗登革病毒２型和腺病毒５型的活性。同时，富勒烯和石墨烯也是利用PDT杀灭病毒的良好候选者。模拟病毒受体或靶点亦可以干预病毒入侵与作用途径。巯基乙烷磺酸盐（MES）可模拟病毒受体硫酸乙酰肝素(HS)，以MES作为表面修饰剂，合成的Te/BSA纳米粒能够通过抑制病毒内化过程来抑制病毒感染。例如，金纳米粒和氧化铁核心制成的抗病毒纳米颗粒具有模仿热休克蛋白的长而灵活的连接子，可模仿硫酸乙酰肝素蛋白多糖（HSPA）这一病毒连接配体(VALs)靶位来阻止病毒与细胞相互作用，在体外和体内肺部感染模型中能杀灭呼吸道合胞病毒等病毒（如图２）。

图2  抗病毒纳米颗粒作用机制的分子动力学模拟

控制炎症风暴，即细胞因子风暴，是治疗新冠肺炎的一个重要方面。临床上的抗炎治疗方案往 往是高剂量、频繁给药，有较大的副作用。鉴于此，利用血小板源性的细胞外囊泡负载抗炎药(5-苯基-2-脲基)噻吩-3-甲酰胺，可靶向肺炎部位，明显减轻肺炎小鼠的急性炎症反应和细胞因子风暴症状。由细胞膜纳米囊泡和人单核细胞融合而成的诱饵纳米颗粒，能稳定表达ACE2，有效地结合和中和炎症细胞因子，从而抑制急性肺炎小鼠模型的免疫紊乱和肺损伤（如图3）。利用纳米陷阱捕获炎症因子也可能是一种有效的治疗手段。

图 ３ 诱饵纳米颗粒杀灭新冠病毒示意图

04结论与展望

融合材料学与生物安全学，生物安全材料用于病毒疫苗的体内递送和控释能够提高疫苗稳定性与免疫原性，用于个人防护可以赋予防护装备多性能，用于治疗可以提高药物靶向性和降低毒副作用。目前，新型生物安全材料产业化已有初步尝试。2020年底的活性铜离子新冠病毒灭活口罩在安徽合肥投产，2010年初抗新冠肺炎的纳米银口罩在珠海投产，为疫情物资提供新储备。但是，防范突发传染病的生物安全材料产业化、转化的领域不广，尤其缺乏有效治疗方式和药物。材料具有可塑性，可以利用其光、电、声、磁和热等特性改善新冠肺炎现有治疗方式，如氧疗，或者设计和制备多功能的新型药物，提供多种新式治疗方式与新型药物，实现个性化治疗，满足新冠肺炎对因治疗、对症治疗的需求，缩短患者病程与提高生存率。与此同时，新冠病毒变异株的出现使得疫情更加严重，检测与疫苗涵盖范围亟需扩展，提高检测手段的灵敏度和疫苗的有效性或许是生物安全材料未来的重要发展方向。充分发挥生物安全学与材料学、工程学交叉融合的优势，开发多种、高效、低毒 药物与疫苗，使用更先进的生物安全材料来生产多功能个人防护装备，有助于做好医疗紧急物资储备，有利于抗击新冠肺炎大流行，未来能够更好地应对其他新发突发传染病流行。