纳米粒子：让病菌“无处遁形”

大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在自然界中无处不在，由这两种细菌引起的感染，已经成为世界性的卫生难题。大肠杆菌能够轻易地让人体出现腹泻、呕吐、发热等一系列食物中毒的症状。

近日，中科院苏州医工所董文飞团队改良了一种磁介孔纳米粒子，应用到抑菌材料上，就能让革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌“无处遁形”。

纳米粒子“显神通”

在健康医疗、化妆品和食品领域，消费者越来越关注细菌感染和细菌污染问题。虽然检测手段不断发展，消毒技术也得到长足进步，但病原性细菌的精确测量和有效清除仍面临巨大挑战。

苏州医工所战略规划处处长、检验室常务副主任董文飞对《中国科学报》记者说：“目前科学界都在通过改善多功能平台，寻求获得较高细菌捕获效率的方法，同时进行细菌检测和清除。”

据董文飞介绍，传统的磁介孔二氧化硅纳米粒子是核壳结构，纳米粒子磁性差，比表面积小，载药能力弱，在实际应用方面受到了严重制约。2019年，董文飞通过一锅法合成出了Janus型磁介孔二氧化硅纳米粒子。

团队成员常智敏解释道：“一锅法就是一步反应，将反应原料一起投入到反应容器中，一步得到产物。这种合成方法操作简单、反应时间短，且以纯水作为反应溶剂，更加安全环保，为工业化生成提供了便利。”

而团队最新改良的磁介孔纳米粒子（JanusMSNs），由具有各向异性的CTAB担载氨基修饰。常智敏说：“CTAB有杀菌性能，能有效消除革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌。同时，纳米粒子表面带有正电荷，细菌表面带有负电荷，通过静电作用，可以实现大肠杆菌和金黄色葡萄球菌捕获及分离目的。”

传统的裸磁性纳米颗粒由于杀菌药物负载容量有限制，细菌捕获效率低，应用范围受限。而磁性纳米平台具有杰出细菌捕获、分离和清除性能，这些多功能平台可能会极大促进临床诊断、环境检测和食品安全领域的发展。

“实验证明，我们开发的Janus型磁介孔二氧化硅纳米粒子在细菌的结合捕获分离、抑制方面有极好的表现。同时，也在癌症的治疗、诊断上展现出了极好的潜能。”常智敏表示。

研发有自主知识产权的“科学仪器”

在团队成员李力的脑海中，他清晰地记得团队申报重大科学仪器设备开发重点专项时的场景：“项目属于国家重点研发计划，在申报阶段，董老师带着我和葛明锋博士，连续三天写材料写到了凌晨3点，反复斟酌和修改，对脑力和体力都是考验。”

今年8月份，董文飞团队申报的“大视场生物成像分析仪项目”成功立项，项目包含8个课题。“四项仪器开发，四项技术应用。”董文飞对记者说。

李力说：“项目首先要确定技术方案，认真研读申报指南后，我们决定采用离轴三反光学系统，攻克大视场高分辨离轴反射式光学系统设计技术、大面阵高分辨探测器和大面积单层细胞推片技术三个关键技术，从而开发出新型大视场高分辨生物成像分析仪。”

对采用的新技术，李力打了个比方：“离轴三反光学系统主要应用在卫星遥感方面，我们要研发的系统是观察微小的稀有细胞，就相当于利用卫星在天上观测地面的技术，来实现用显微镜寻找稀有细胞。这在技术上是相通的，只不过从宏观变到了微观应用。”

在寻找稀有细胞的实验中，荧光标记非常重要，荧光强度高的荧光染料是实现细胞标记的关键。“荧光标记我们以前没做过，自己心里也没底，在申报项目之前，我们做了大量前期试验，测试了十来种荧光染料，最终找到了合适的材料。”

李力表示，目前该材料是商用性质，随着后期项目开展，团队计划自己开发这类强荧光染料。

在董文飞心中，形成具有“自主知识产权、功能健全、质量稳定可靠”的大视场生物成像仪器非常有必要。“目前团队正在有条不紊地开展高次非球面离轴光学成像、大面阵高分辨探测器和大面积单层细胞推片等关键技术的研发工作，特别是大面积单层细胞推片技术，我们计划在今年春节之前形成工程样机。”董文飞表示。

年轻有“拼劲”的团队

董文飞的研究团队2019年成立，短短三年时间，已经拥有13名成员。“虽然我们的团队非常年轻，但大家有冲劲也有拼劲。”董文飞这样评价自己的团队。

自团队成立，就形成了固定的“午餐交流”时刻。常智敏说：“董老师基本中午都和我们一起吃饭，聊科研、聊工作，每周三晚上还会对一周的工作成果进行汇报总结，研读最新的国内外科研成果。”

在常智敏眼中，董文飞是一位“非常热爱科研工作，对科研的态度极其严谨”的老师。在董老师的带动下，整个团队也形成了轻松、严肃的科学氛围。

在研究开发Janus型磁介孔纳米粒子时，由于国内外在该领域的研究很少，能够给团队提供借鉴的理论依据并不多，大家的工作开展也是“摸着石头过河”。在研究过程中，团队成员检索了大量资料，推导很多公式，优化合成反应，最终交出了一份满意的答卷。

据董文飞介绍，团队未来会继续在细菌及细胞的特异性识别和捕获研究中加大投入力度，开发多种类的功能性纳米材料，扩大现有纳米材料的应用范围，“我们将重点研发诊治一体化纳米粒子、稀有细胞富集和检测技术和大视场生物成像分析技术。”

作为团队骨干成员之一，常智敏也对即将开展的研究充满信心：“我们会关注纳米粒子在癌症、白血病领域的应用。例如稀有细胞富集和检测技术，可以检测到循环肿瘤细胞转移，有效检测癌症复发的情况。”

《中国科学报》(2019-09-18第6版院所)

相关主题