含铜不锈钢从抗菌向抗病毒迈进

　　黄明欣团队采用粉末冶金的生产工艺，将不锈钢中铜的含量提升至20%，获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。这样制得的高含铜量不锈钢，不仅能避免“铜脆”现象，而且其富铜沉淀物能均匀分布在整个金属制品中，即使制品表面磨损也不会影响其抗病毒效果。

　　新冠肺炎疫情暴发以来，“物传人”成为新冠病毒传播的重要途径之一。曾有研究显示，新冠病毒能在普通不锈钢材料表面存活3天之久。因此，研发出能够杀灭新冠病毒的不锈钢材料，成为业界和学界的一大目标。

　　近期，香港大学工程学院机械工程系黄明欣教授领导的团队与香港大学（李嘉诚医学院）免疫与感染研究中心潘烈文教授的研究团队合作，通过调整不锈钢的化学成分和微观组织结构，成功令不锈钢能杀灭表面附着的新冠病毒和其他常见病原体微生物。

　　新型不锈钢含铜20% 显示出强大的抗新冠病毒特性

　　自20世纪初被发明后，凭借着在硬度、耐腐蚀性、可加工性等方面的优异性能，从公共场所的基础设施，到家庭生活的日常装潢，不锈钢成为公众最常接触的材料之一。

　　但随着新冠肺炎疫情席卷全球，不锈钢这个公共场所随处可见的基础材料，已成为新冠病毒扩散传播的载体——携带病毒的飞沫和呼吸道分泌物会附着在不锈钢材料上，使其成为潜在的病毒传播媒介。

　　例如，此前中国疾病预防控制中心曾对一起新冠病毒感染案例进行分析，认为同一单元楼内的住户极有可能因共用一部电梯，共同触摸不锈钢材质的电梯按键而造成病毒在住户中扩散。

　　在具体研究中，为了更好地比较不同不锈钢材料之间的抗菌抗病毒性能，黄明欣团队制备了多份样品，分别是常规的316不锈钢、含银0.3%和0.6%的不锈钢、4种含铜1%—20%不等的不锈钢以及纯银和纯铜。并且为了凸显其实用价值，他们还专门将其制备成了电梯按钮样式，以模拟在最常见的使用环境下，不同种类不锈钢的抗新冠病毒性能。

　　最终，研究结果显示，常规316不锈钢、纯银和含银不锈钢对新冠病毒和甲型H1N1流感病毒没有明显的抑制作用。而相比之下，纯铜和含铜不锈钢则表现出了十分显著的抗病毒特性。尤其是含铜量20%的不锈钢，其可以在3小时和6小时内分别显著减少其表面99.75%和99.99%的活体新冠病毒，显示出了强大的抗新冠病毒特性。

　　黄明欣表示，由于高含铜量不锈钢的制备采用的是粉末冶金的方式，这使得其可以不受材料表面磨损的影响，能在较长的时间范围内持续拥有抗新冠病毒特性。

　　从抗菌到抗病毒 把握不锈钢中的铜含量很重要

　　其实早在这种抗新冠病毒不锈钢研发之前，能够抗菌的不锈钢就已十分普遍，并早早开始了工业化生产，而其中也是添加了铜和银。

　　中国科学院金属研究所研究员杨珂指出，铜和银已是业界公认的优秀抗菌材料，对包括大肠杆菌等在内的常见致病菌有着出色的抵抗能力。比如含铜量仅5%的抗菌不锈钢，便具有99%的抗菌率。因为密集的富铜沉淀物会永久留存在不锈钢基质中，产生持久的抗菌效果。而银的抗菌能力则更强，只要在不锈钢基质中添加0.3%的银，便可产生强大的抗菌效果。但抗菌不锈钢要想达到抗新冠病毒的效果，还需增加其中的铜含量。

　　不锈钢作为一种铁基合金，以铁为基本，生产过程中会加入镍、铬等元素以增强其性能。如果一味加入大量的铜，会使其基础性能发生改变，从而导致其不再具备不锈钢的特性，无法进行大规模应用。杨珂表示，生产抗病毒不锈钢，其最大挑战在于如何在加入足量的抗病毒元素的同时，又不改变不锈钢的核心性能。

　　铜虽然是不锈钢的核心元素之一，但加入过量也会严重影响不锈钢的核心性能。杨珂向记者介绍道，钢铁的热加工锻造过程，需要在1200℃左右的高温下进行，而铜本身的熔点大约为1080℃。铜加入过多会导致钢材在热加工时的锻造性变差，出现通常意义上的“铜脆”现象。

　　为了避免“铜脆”现象，同时又保证加入含量足够抗病毒效果的铜，有研究人员改用物理气相沉积、冷喷涂、离子注入等方法，为不锈钢涂上一层抗病毒涂层。但这些方法生产的涂层，厚度小于1毫米，很容易被磨损导致其抗病毒性能大幅下降，因此这类不锈钢材料无法取得长期的抗病毒效果，不具备大规模应用的价值。

　　而黄明欣团队此次采用了粉末冶金工艺，将不锈钢中铜的含量提升至20%，获得了具有抗新冠病毒特性的不锈钢。杨珂表示，粉末冶金方法是将金属粉末采用模具进行高压压制，随后再以较高的温度烧结定型。采用这种方法制造的高含铜量不锈钢，不光不会出现“铜脆”现象，而且其富铜沉淀物也不只分布在表面，而是均匀分布在整个金属制品中，因此即使制品表面磨损也并不影响其抗病毒效果。

　　市场空间仍待挖掘 扩大产业化规模应从两方面发力

　　杨珂介绍，虽然实验效果显著，但抗病毒不锈钢要形成规模化、产业化，仍有很长的路要走。即使是目前工业生产已十分成熟的抗菌不锈钢，其仍有较大的市场空间等待挖掘。

　　“与我们合作的一家企业，2020年就生产和销售了5000吨抗菌不锈钢。”杨珂说，目前抗菌不锈钢工业已具有较大规模，且形成了相关的行业标准。2020年底，工信部已正式发布“含铜抗菌不锈钢”行业标准YB/T 4171-2020，涵盖含铜系列抗菌不锈钢的订货内容、技术要求、试验方法、检验规则等方面。但目前抗菌不锈钢仍主要应用于生产餐饮领域的餐具、厨具，如抗菌不锈钢筷子、菜刀等，且消费市场主要集中在江苏、浙江、广东，应用规模仍较小，使用场景较为单一。

　　杨珂还指出，生产抗病毒不锈钢所用的粉末冶金方法，工艺复杂、成本较高，无法成为主流的生产方式，并且过多铜元素的加入也会使得不锈钢的耐腐蚀性下降，使其无法用于生产高端产品，一定程度上限制了其应用场景。

　　杨珂认为，该研究成果虽然距离大规模应用仍需时日，但其打开了一扇新的窗口，使铜在不锈钢材料中的作用被更大程度显现了出来，并给予了不锈钢材料新的可能。“我们国家的抗菌不锈钢生产技术在世界范围内是领先的，抗菌不锈钢未来还可以有更大的用途，其中在医疗器械抗感染方面的应用最被看好。”

　　目前，杨珂等人也在与深圳地铁进行合作，开发抗菌不锈钢制成的把手、栏杆等。他认为，未来要想实现抗菌、抗病毒不锈钢的规模化应用，还应在两方面发力。一是在应用端找到合适的应用场景，比如可以在医院中用抗菌不锈钢建设样板房，起到示范效果。另一方面则是要加强基础研究。目前，铜离子抗菌抗病毒的作用机制仍然没有摸清，各种理论自成一派，没有统一的、具有广泛说服力的作用机制，一定程度上制约了抗菌、抗病毒不锈钢的发展。

　　来源：科技日报

从中国地图上看，胶东半岛如翼龙头部面朝大海。在半岛南侧的“咽部”，有一处“热点”。比起左边的崂山、右边的乳山，海阳没什么名气。然而它又的确有几分特别，在北半球的这个冬天，它成了全中国第一座完全实现核能供暖的城市。 　　现代与古老在这里不做争夺，它们彼此给予——海阳核电站的两个机组每年发电量200亿千瓦时，足够满足青岛、烟台、威海地区全部居民的生活用电。深藏着高核辐射物质的建筑内，剧烈的核反应随时都在进行。核电站外几百米处是几个当地的自然村，和很多临海的村子一样，人们以捕鱼为业，天没亮就出门赶海。也有人在核工业园区从事保安、保洁等工作。 　　作为中国大陆51座在运行的核电站之一，海阳核电站无论是规模还是技术上都不特殊，一件颇有意义的小事是，2021年，它拿出4%的发电量，为60万人口直接输送热量，让这座北方小城告别了化石燃料供暖的时代。 　　一切顺利的话，未来的某个冬天，这座核电站还将把热量输送到青岛、烟台、威海三座城市。 　　“什么是安全？符合标准，就是安全的” 　　从清华大学工程物理专业毕业后，吴放一直在核领域工作。这位核能专家、山东核电董事长的日常工作，是和同事一起维护海阳核电机组的安全稳定运行。 　　吴放回忆，2015年，自己在北京经历了数场雾霾，“抬头看不见建筑，只能看到上面发亮的字”。这让吴放萌生了用核能供暖的念头，因为核能是清洁能源，几乎不会带来任何大气污染。 　　当前国内供暖主要依靠燃烧煤炭和天然气，会产生大量二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物。据清华大学建筑节能中心测算，中国北方城镇每年供暖能耗为2.12亿吨标煤，碳排放量约5.5亿吨，约等于2亿辆小汽车一年的碳排放。 　　除了引发雾霾，燃烧化石能源排放的二氧化碳还造成全球变暖，导致极端气候现象频发、海平面上升。在刚刚结束的《联合国气候变化框架公约》第26届缔约方大会上，多国政府都提出了碳中和的目标。 　　人们能说清雾霾的成分，但很显然，人们更害怕核能。说起“核”，多数人的第一反应是武器和事故。如造成近10万人死亡或重病、方圆30公里范围内受到严重污染、三分之一地球受到放射性物质影响的切尔诺贝利核事故，再比如2011年日本福岛核电站泄漏事故。后者的影响力大到让多个国家暂时停止了核电站的建设和新增计划，德国甚至宣布2022年起全面弃核。 　　吴放不常谈论“福岛”或“切尔诺贝利”，尽管他常常面对带着这些关键词的问题。 　　在人类文明和战争的记忆里，与“核”有关的伤痕都太过深刻，“核”带来的恐惧感是持久的。但在海阳核电站，距离核反应堆最近的人反而很安心。 　　据测算，园区上千名员工一年受到核辐射的平均剂量约为做一次腹部CT的百分之一。很多时候，园区里的辐射值甚至低于大城市——繁华都市中，空气里的粉尘、建筑中的天然大理石等材料也有核辐射。园区里还有一块计时大屏幕，截至中青报·中青网记者抵达时，核电站已经持续517天18小时14分24秒没有发生人因事件。 　　到底什么是安全？在吴放看来，安全是一个难以定义的词，他更愿意用“符合标准”来衡量。“只要我们在建设、操作时符合标准，那我认为它就是安全的。”事实上，中国在核能开发、利用方面制定的标准是全世界最高的。 　　在核领域工作多年，吴放一直希望提高核能的利用效率。受物理学基本规律的限制，目前全球核电站在发电时的热效率最高只有约36%的水平，想显著提升，只能期待人类有重大科学和技术突破。 　　核电站一般都建在海边，核反应会释放大量的热，需要海水作为冷却水，加热水产生的水蒸气推动涡轮发电机发电。吴放曾考虑，如果能从这些热能中拿出一部分用于供暖，能提高核能的利用率，同时也能实现清洁能源供暖。 　　“这个想法从原理上说很简单，很多人都能想到，实施起来却是一个复杂的工程学问题。而且前几年核能供暖并不会比使用化石燃料便宜很多，因此很少有人愿意做这个尝试。”吴放解释。 　　推进研究的同时，他先在核电站员工宿舍区以及当地30多个小区做试点，然后逐步扩大范围，直到覆盖整个海阳市城区。出人意料的是，不管是核电站建设和运行时，还是推广核能供暖时，他们发现当地老百姓并没有对安全性感到担心。多数人最关心的问题是，核能供暖效果怎么样，便不便宜。 　　2021年11月9日，核能供暖的热水如期温暖了这座城市。与往年冬天相比，市民并没有感受到什么不同，暖气片还是那么热，持续而稳定——除了供暖费每平方米比去年降低了1元。 　　解决了燃“煤”之急 　　穿过层层钢筋混凝土和金属安全壳，核电站的核心只是一根根细长的燃料棒，4米多高，粗细和混凝土使用的钢筋差不多。它们排列在一起就成了稳定且能产生大量能量的核反应堆。按照计划，如果海阳核电站的8座反应堆全部建成投入使用，能提供整个山东省13%的用电量。 　　这是发生在原子维度的反应，却蕴藏着巨大的能量。1克浓缩铀-235的体积和一粒米差不多，但它在完全裂变后产生的能量，约等于2.8吨标准煤或1.8吨汽油完全燃烧所释放的能量。 　　在能源领域，能用于发电的热能是“高级”的，需要水蒸气有较高的温度和能量，在海阳核电站，用于发电的水蒸气的温度高达268.6摄氏度，压强5.38兆帕，约为53倍的大气压强。发完电的水蒸气虽然还是温暖的，但属于较“低级”的能源，很难再得到利用。供暖则并不需要那么“高级”的能量，“我们的工作类似于拿出一部分‘高级’的能量兑入‘低级’的能量，变成更多‘中级’的能量，也足够用来供暖了。”吴放解释。 　　实现这个想法并不容易。核电站是一个设计精密的系统，取出一部分水蒸气，势必对整个系统产生影响。在海阳核电站1号机组2018年投入商运当年，他们经过大量前期理论论证后开始立项，次年开始试点供暖。范围从核电站办公区逐步扩大到海阳市的部分小区，直到今年，整个市区都用上了核能供暖。 　　而在这个过程中，用户端的改变并不大。在核电站之外，除了替代了海阳市的12台燃煤锅炉，其他的一切和燃煤供暖几乎没有任何区别。供暖的水还是由各区的供热企业负责加热，只是如今，供热企业不再需要燃烧煤炭加热供暖水，而是由海阳核电站提供热水，在供热中心将热量传递给供暖水。 　　海阳实现核能供暖引起了全球核领域同行的关注，国际原子能机构已经派专员前来调研。这项尝试在国内也有了追随者，今年，中国第一座核电站秦山核电站开始对嘉兴市的3个小区试用核能供暖。 　　即使不考虑在减少碳排放方面的贡献，核能供暖的意义在今年也格外特殊：全球整体能源紧缺，煤炭、天然气等能源的价格大幅上涨，不少国家实施了限电停产措施，多地供暖费用涨价，海阳市却做到了供暖费不增反降，解决了燃“煤”之急。 　　对此，吴放算过一笔经济账，长期看来，核能供暖一定比燃烧化石燃料更实惠。他解释，在煤炭价格平稳时，使用核能供暖的价格仅略低于燃煤供暖，但未来化石能源的价格可能会因为产量、碳排放市场化等原因不断上涨，而使用核能近似于一次性投资，费用主要花在建设时，投产后，核燃料的价格只占极小的部分，即使发生类似化石能源的大涨价，也不会对核电站的经营产生大的影响。因此，核能发电的费用一般非常稳定。 　　只是，核能供暖目前只能向核电站周边的城市提供，距离太远则会受传输管道建设成本、传输过程中热量流失等因素的制约。由于核电站需要持续大量使用冷却水，目前中国的核电站大多都建在海边。 　　第三代技术的设计理念基于“削弱‘人’的不稳定因素” 　　海阳核电站毗邻黄海，常年抽取海水用于冷却核设施。在抽水口，海水中的鱼、虾、海草被滤出，海水在海阳核电站循环一周带走“低级”的余热，最后热气腾腾地回到黄海。 　　在绝大多数人眼中，这些“低级”的热量没有利用的价值和机会，但吴放却想，是不是有办法把这部分能量也利用起来呢？ 　　他想到此前在新闻中看过的“南红北移”工程。适合在南方温暖潮湿环境生长的红树林是极好的海洋生态系统，能防风消浪，净化海水和空气，还有10倍于陆地森林的固碳能力，但它不适应北方寒冷的气候。 　　此前，中国的“南红北移”工程最北只开展到北纬30度的浙江舟山。海阳的海岸线比舟山更靠北，但一年四季分秒不停流回大海的反应堆冷却水也许可以营造适合红树林生长的环境。吴放联系了多所大学的专家开展调研，并在今年6月开始了这项工程，目标是将红树林生长的最北位置扩展到北纬37度附近。 　　海阳核电站采用的是第三代核电技术，也是目前商用大型核反应堆最先进的技术，外观特征就是核岛的外形像白酒瓶，瓶盖位置装有大量冷却水。发生极端意外时，这3000吨水会自动下沉用于冷却核反应堆，可以做到72小时不需要人工干预，保障机组安全。“第三代技术系统的设计理念就是，削弱‘人’的不稳定因素。”吴放说。

抑郁症，以后可能这么治！

最近的一项研究从植入电极上的多个点进行记录，将大脑活动与人的情绪联系起来，并为大脑刺激设备找到最佳设置。图片来源：RAISSA MATHURA
对于那些抗拒药物和电休克疗法的抑郁症患者而言，外科植入刺激大脑的电极可能会缓解病情。但近年来，两项关于这种方法——深部脑刺激（DBS）的随机对照试验在未取得令人满意的中期分析结果后停止了。

现在，研究人员正在测试更复杂、个性化的DBS技术，希望能产生更好的结果。迄今为止的检测只涉及一名或几名患者，远远不能证明其有效性。但研究人员希望能提供更大规模的研究，最终巩固DBS对抑郁症的疗效。

“有了这些研究结果……我们将有望获得足够的证据。”一篇案例研究的作者、美国贝勒医学院神经外科医生Sameer Sheth说。

DBS在美国已经被批准用于治疗癫痫、强迫症和帕金森病等运动障碍。但它是否也能改变可能导致抑郁症的神经回路异常活动模式呢？没有对照组的早期研究取得了有希望的结果，但在2015年和2017年，研究团队报告称，两项DBS随机对照试验在进行几个月后并没有显示出明显的好处。

对参与者的长期跟踪恢复了一些乐观情绪。例如，斯坦福大学精神病学家、合作研究员Mahendra Bhati说，在30人参与的一项对照试验中，许多人在一年或更长的时间里取得了进步。

上个月，他和同事发表了一项对8名试验患者的后续研究，其中大多数人在大约10年后继续使用植入物。大约有一半的人在抑郁量表中的得分至少比预处理得分提高了50%。

许多研究人员说，由于抑郁症在不同的大脑中表现不同，个性化治疗可以使其更有效。目前，有几个团队正在根据个体大脑解剖和神经记录，探索更精确的刺激方法。

西奈山伊坎医学院的神经学家Helen Mayberg率先在抑郁症治疗中使用DBS。她警告说，DBS必须具有成本效益和足够简单，这样才能在临床上广泛使用。

她的研究小组已经确定大脑前部附近一个被称为扣带回下区（SCC）的区域，是与抑郁症消极情绪成分相关的网络中枢。一项暂停的被称为“BROADEN”的随机试验，旨在测试刺激SCC治疗抑郁症的效果。

Mayberg怀疑，在那次试验中，外科医生放置电极的细微差异是导致患者结果差异的主要原因。所以，她的团队和其他人现在使用一种叫做纤维束造影的MRI方法以更精确地显示神经束和靶电极的位置。

Mayberg也在追踪大脑对这种更精确的刺激的反应，希望通过识别神经反应预测患者症状是否会改善以及何时改善。她和同事本月在《转化精神病学》杂志上描述了7名受试患者在手术室进行脑刺激期间SCC活动的变化，该变化与术后一周的治疗反应相关。

荷兰阿姆斯特丹大学医学中心神经心理学家Isidoor Bergfeld和同事正在测试神经束引导的DBS植入物，后者会植入大脑中另一个与抑郁症有关的部分，即内侧前脑束的上外侧支。

Bergfeld的目标是招募24名患者，并期望在2到3年内取得结果。他希望试验数据能和德国正在进行的一项类似研究的数据结合起来，支持欧盟对抑郁症的监管批准。

其他团队则在考虑更广泛的个性化疗法。加州大学旧金山分校精神病学家Katherine Scangos及同事利用个体的神经数据决定刺激哪个目标区域以及何时进行刺激。

在插入DBS电极之前，该团队植入了第二组电极以记录和刺激大脑不同区域的组织。现在，Scangos的团队已经使用它刺激与情绪相关的区域。

正在进行的试验计划招募12名患者，对于其中第一位患者，理想的刺激靶点似乎是腹侧囊/腹侧纹状体(VC/VS)，这已经是DBS抑郁症试验中确定的靶点。研究小组还发现，患者大脑的另一个部位——杏仁核的活动，可以用来预测严重症状的出现。

因此，患者的植入物—— 一种已被批准用于检测和阻止癫痫发作的名为NeuroPace的装置，被设定为只在杏仁核活动模式存在的情况下刺激VC/VS。Scangos和同事上个月在《自然—医学》上报道说，第一个病人在手术后的一年多时间里，症状明显缓解。

Sheth的团队正在使用sEEG电极为每位患者寻找连续DBS的最佳设置。研究人员使用sEEG读数来识别与积极情绪相关的大脑活动模式，并跟踪这些读数在SCC和VC/VS电极进行DBS时的变化，然后利用计算机算法识别出理想的频率、振幅和其他改善情绪的设置。

第一名参与者的数据显示，其症状在手术后的最初几个月有所改善，然后在停药阶段持续恶化（研究人员随后将植入物恢复到最大功率）。相关研究发表于《生物精神病学》。

但Sheth指出，植入一套sEEG电极指导治疗可能太具侵入性和劳动强度，尽管这可能为无反应的患者提供调整DBS的机会。他希望研究人员能够开发出侵入性较小的方法。

来源：中国科学报