黄嘉兴
西湖大学工学院讲席教授
黄海月
西湖大学访问学生
从物质科学角度谈呼吸道疾病：为什么能，为什么要？
在新冠疫情期间，医护人员和公共卫生专家们工作在保护人民群众生命安全最重要的防线上。但若把所有的防疫压力都放在这一道防线上，被动地等待更有效的疫苗和特效药，是非常不明智的选择——正如在枪林弹雨之中，再好的铠甲（疫苗）和金疮药（特效药）都不能取代盾牌（防护措施）的作用。呼吸道传染病的病毒在接触到下一个易感人员之前，必然要离开宿主进入环境中。在这期间，病毒存在于体外的物质世界，必然会与各类材料表面相互作用。此时环境的温度、湿度，空气的对流、扩散，材料的组成成分，材料表面的吸水性、光洁度等都将影响病毒的传染性（图1）。因此物质科学家们不仅可以有所作为，也应该对相关问题进行思考和研究。本文将尝试从物质科学的角度出发，谈一谈对病毒结构和传播途径的常识性理解，同时也解释一些热点问题：有哪些常见的关于病毒的错误认识？飞沫液滴与病毒活性有何关联？有哪些方法可以加快病毒在体外失活？为什么正确佩戴口罩非常重要？物质科学工作者和普通群众分别能为抗击疫情做些什么？
图1 在病毒接触人体之前，可以采取多种手段在环境中对它们进行阻挡和灭活
从构-效关系看病毒纳米颗粒
每个领域的科研工作者都有其独特的思维框架与看待问题的方式——材料科学的思维范式是研究材料系统中“结构-效能”之间的因果关系（简称构-效关系），这包括了不同时间、空间尺度下两者的动态关系。病毒颗粒的大小在几百纳米，其结构复杂，但不是“活”的——它们没有动力源或能量源，无法自己移动。病毒在入侵受体并完成自我复制的过程中完全依赖外界的能量输入，其中在环境中的迁移尤其依赖人类自身不良的卫生习惯。从构-效关系来看病毒颗粒，可以建立以下两点物理常识。
首先，像新冠病毒这样的具有核-壳结构的纳米颗粒，其主要的“效能”是在合适的时候释放内部的遗传物质，以感染人体。为了实现这样的效能，病毒的“结构”需要相对稳定，以保证它们在接触下一个易感人员的呼吸道之前，能够抵抗外部环境因素（例如温度、湿度、光照等）的变化且保持结构的完整性。同时病毒的结构又不能太稳定，因为它们在与受体结合后必须能够迅速瓦解并释放出遗传物质，否则它们就无法实现感染的功能。从这个角度看，病毒的结构相当精巧且处于亚稳态。这也注定了其容易失活的命运——结构单元的损坏（例如磷脂双分子层破裂、蛋白质变性等）极易导致病毒丧失传染能力。其次，病人释放出的病毒并非以裸露的单个纳米颗粒形式存在于环境中，而是与其他从呼吸道分泌的成分（例如蛋白质、无机盐、磷脂质、微生物等）一起被包裹在几十微米尺度的飞沫液滴中（图2）。当飞沫液滴或者飞沫核（即干燥后的液滴）沉降在各种表面时，这些被包裹的病毒颗粒本身往往并不与环境表面直接接触。
图2 病毒颗粒在环境中并非单独存在，而是被包裹于尺寸更大的飞沫液滴中
以上两个基本物理常识已经能回答许多关于呼吸道病毒的疑问：为什么从环境样本中测出核酸物质并不意味着这些物品具有传染性？因为核酸物质只是病毒颗粒结构中的一部分，只有具有完整结构的病毒才有传播活性。环境样本中测出特定核酸物质仅仅意味着这些物品表面曾经有过病毒颗粒的沉积，这并不等同于病毒还具有传染性。
为什么戴口罩能够阻挡纳米尺度的病毒颗粒？因为常见的医用外科口罩虽然对纳米颗粒的过滤效率不高，但足以阻挡几十微米尺度的飞沫液滴和飞沫核，而病毒在环境中的传播离不开飞沫液滴这个微米尺度的交通工具。我们在佩戴口罩的时候，更重要的是学习并坚持正确佩戴，而不是盲目地选择更“高级”的口罩。再好的装备，如果不正确使用（例如不贴紧鼻梁和脸颊，或者将口罩拉低露出鼻孔），也会给飞沫液滴可乘之机。
为什么要强调勤洗手？病毒本身并不能感知环境，也无法运动，只能被动地被裹在飞沫液滴或飞沫核内被输运。往往是我们自己用手“拾起”了病毒，并在揉眼睛、舔手指、揉鼻子、挖鼻孔等行为中助了病毒“一臂之力”，让它们能够“抄近道”进入我们的体内。用肥皂洗手能洗去手上的飞沫，含酒精的免洗洗手液虽不能除掉飞沫，但也能使病毒失去活性，因此不论是哪种形式的洗手，都能起到很好的预防作用。当然，如果能意识到我们自身的一些不良卫生习惯，并加以克制，也能更好地保护自己和身边的人。我们相信读者朋友们只要认识到以上这些基本事实，就能更加科学地辨别网络上某些真假参半的信息，也能更加乐观地面对疫情，相信我们最终能够克服它。
同时，这些物质科学常识也提醒着科研工作者，在研究抗病毒策略时必须要考虑到飞沫液滴中的其他物质。这些物质阻止了病毒与环境中物体表面的直接接触，因此任何有效的病毒灭活策略必须能够克服这层由呼吸道中各种成分构成的屏障，从而“直捣黄龙”。接下来，我们就将为大家抛砖引玉，举几个例子。
呼吸道传染病传播途径和相应阻挡方法的思考
在环境中，飞沫液滴和飞沫核能通过多种传播途径到达人体。材料科学家可以针对不同传播途径的特点研究多种阻挡液滴、灭活病毒的方法。在离开患者后，如果附近有密集的人群，液滴就可能直接被人体吸入造成感染。没有被吸入的液滴则仍在空气中，此时尺寸较大的液滴会快速沉降到物体表面，而尺寸较小的液滴（又称为气溶胶）能在空气中悬浮很长时间。在这些液滴中的病毒失活以前，如果有人用手触摸到物体表面并进一步触摸鼻、眼黏膜，或者直接吸入气溶胶，就有可能被感染。
化学修饰层对付逃逸液滴 尺寸较大的液滴含水量也通常较大，因此可以设想一种方法将抗病毒物质溶解到液滴中，让整个液滴的化学环境变得不利于病毒保持活性。为了从源头上控制疫情传播，这一策略最好用于液滴刚刚被释放的时候。因此我们想到在患者的口鼻周围像戴口罩那样戴上一层“化学修饰层”，用它来修饰被呼出液滴的成分。我们在实验室中发现，普通的无纺布在经过高分子修饰后，可以携带铜离子或者磷酸分子（具有广谱消毒作用的成分）。在模拟实验中，修饰层的消毒成分能较好地溶解到逃逸的液滴中。这样的化学修饰层有望从源头降低病毒的传播效率，更好地保护医护人员。
自消毒外衣对付沉积的液滴或飞沫核 类似地，针对沉积在材料表面的液滴，我们也需要一种方法将抗病毒物质溶解到液滴中，从而在没有直接与病毒颗粒接触的情况下对其进行灭活。现阶段的主要方法是喷洒消毒剂，但是如果喷洒频率不足则无法持续消毒，过量使用会造成环境污染。有没有什么方法可以让经常被接触到的表面（如不锈钢）自己释放消毒剂？由此我们想到了“消毒衣”的概念，通过在不锈钢金属上生长一层含铜表面层来给不锈钢穿上消毒衣。它能在周围有水分的条件下缓慢释放铜离子，达到消毒的目的。现阶段的研究难点在于如何观测到铜离子等消毒剂溶解于液滴中，最终对病毒产生作用的过程。液滴中是否含有足够的水分可以溶解铜离子？液滴干燥成飞沫核的过程中产生的形变是否对病毒活性有影响？铜离子会不会在溶解于液滴后与液滴中的其他成分反应而失效？这些还需要材料科学家和病毒学家在未来跨领域合作，进行进一步的研究。
能捕获气溶胶的涂层 相比于尺寸较大、易沉积的液滴，气溶胶在空气中停留的时间更久也更难以去除。这些空气中的颗粒会不断地与环境表面碰撞，其中的绝大部分会被弹回到空气中。我们课题组利用环境中的“闲置”表面，比如面积很大又不经常被触碰到的天花板、墙壁、窗户等，在其表面添加吸湿层以提高对气溶胶的捕获效率，防止它们重回到环境中。吸湿层的成分借鉴了护发素的配方，使最终形成的吸湿层同时具有捕获气溶胶和防雾的功能，且膜层厚度均匀，不影响视觉效果。
蚊子与飞沫液滴的对比
蚊子和飞沫液滴都是传染病的传播媒介，且二者的传播都从病原体离开人体内的“原生环境”，进入物理空间和环境开始（图3）。对于通过蚊子传播的传染病，人们已经找到了许多预防方法，比如使用驱蚊液、驱蚊香、驱蚊贴、捕蚊灯等。这些工具能够让人们在不同场景免受蚊子的侵扰，同时不会感到不适。此外，蚊子叮咬会造成痛、痒等症状，促使人们自觉做好个人防护，例如穿着长袖、长裤。然而，对于通过飞沫液滴传播的呼吸道传染病，现阶段的防护方法却较为单一且容易引起不适。长时间佩戴口罩常常使佩戴者觉得闷热、呼吸不畅。医务人员在穿戴密不透气的防护服时还要忍受更多的不便。同时，由于液滴尺寸微小，难以像蚊子那样引起人们的警惕。在人群密集的场所，我们难以意识到自身正暴露于人群释放出的飞沫液滴中，因此也不愿自觉佩戴防护用具。不过我们相信，随着人们对呼吸道传染病的重视、物质科学的发展以及跨学科合作的加强，未来会出现更有效的阻断手段和更舒适的防护工具。在它们出现之前，让我们尽可能地规范佩戴，尽可能地接受佩戴口罩引起的不适，因为佩戴口罩不仅能保护自己，也能保护周围更多的人。在这一方面，科普和公共教育工作意义重大，不仅长期坚持，也要从对孩子们的科普教育做起。
图3 就像蚊子一样，携带病原体的飞沫滴液从一个人传播到另一个人时，也需要经过物理空间
图4 ACS Nano 期刊上文章的共同作者
结 语
这篇文章的想法源于2020年疫情暴发初期，彼时笔者被前线医护人员勇敢无畏的精神打动，决定在后方尝试从物质科学的角度思考与呼吸道传染病疫情相关的科学问题和研究需求。在这个过程中有幸与一批志同道合的临床检测、诊治与救护专家，生物医学工程专家和公共卫生学者交流讨论，使得这些想法最终以一篇前瞻性文章——“面对新冠疫情，物质科学研究人员如何有所作为”（COVID-19: A Call for Physical Scientists and Engineers）——的形式发表于美国化学会的期刊《美国化学会-纳米》（ACS Nano），并得到了广泛的关注和讨论。在这里也特别感谢那篇ACS Nano上前瞻性文章的共同作者，他们是（图4中由左至右，由上至下）：樊春海，上海交通大学化学化工学院；黄海月（笔者），原美国西北大学材料科学与工程系，现西湖大学工学院；黄嘉兴（笔者），原美国西北大学材料科学与工程系，现西湖大学工学院；李敏，上海交通大学医学院附属仁济医院检验科；聂华丽，东华大学化学化工与生物工程学院；汪付兵，武汉大学中南医院检验科；王慧，上海交通大学医学院公共卫生学院；王瑞兰，上海市第一人民医院急诊危重病科；夏剑波，湖北省妇幼保健院检验科；郑昕，华中科技大学同济医学院附属协和医院感染性疾病科；左小磊，上海交通大学医学院分子医学研究院。
这段经历也是我们课题组后续相关工作的灵感与动力的来源，激励笔者要勇于走出自己的舒适圈，积极思考社会民生所面临的迫切挑战，做出力所能及的贡献。（感谢西湖大学工学院以及未来产业研究中心的支持。）
本文根据笔者在上海市科学技术普及志愿者协会主办的首届“海上科普论坛”上的报告撰写而成