程钢：我的快乐，是创造世界上本不存在的东西

文| 沈是

当一艘远洋货轮航行在太平洋上，当手术病人的导尿管开始充满了淡黄色的液体，当一种药物被注射进入人体的红色血液中……从宏观到微观，都要面临同一个问题。这个问题，十几年来，一直在程钢大脑里打转。在国外求学和任教近20 年后，程钢从伊利诺伊大学芝加哥分校（UIC）离职，全职加盟西湖大学工学院，组建生物材料以及分子工程实验室。

生物垢问题何时解决？

实验室的搭建需要耗时数月。“我经常对做生物的人说我是做化学的，对做化学的人说我是做生物的。”程钢这样调侃自己的研究范围。在科学研究中，宏观和微观有一条分界线。但在程钢这儿，界线消失了。

对于大海航行的船只，相比乘风破浪，还有一个更棘手的问题。海洋中的生物会附着滋生，影响船体航行速度，甚至导致腐蚀破坏船体结构，影响安全。可不要小看它对阻力的影响，最大可以导致阻力增大至60%，而这个问题有一个专门的名词：生物垢。在导尿管里，和波涛汹涌的大海“类似”——尿液中的细菌会在导管壁上形成菌膜，影响使用。目前临床使用的导尿管，需要1 到4 周更换一次。

类似的问题还有很多——人造心脏瓣膜的钙化、血管支架引起的凝血、家中浴室或水管里的水垢和霉菌、甚至是牙齿上的牙菌斑……烦人的生物垢问题无处不在。

这些生物垢的形成是否有一个共通的机理？反过来思考，人类想要避免这个问题，是否可以找到一些通用的解决办法？

在程钢的眼里，生物体相关的生物大分子无非四种——蛋白质、核酸、脂类、多糖类。那么，这个看似跨越宏观和微观的问题，可以抽象概括为这四类物质和材料的“粘合”。

不断延长抗菌的“时间记录”

1999 年，程钢从北京化工大学生物化学工程本科毕业，随后进入前化工部第一设计院工作。工作了3 年后，他决定去美国学习微生物工程，继续深造。硕士毕业后，他又攻读了化学工程的博士。这样的交叉背景，让他对生物、化学和工程之间的关系有着独到的思考。

“生物的很多现象是基于特异性的相互作用，但这并不这意味着你能够发现它不发生非特异性相互作用的原因，这是两回事，是不是？”程钢说。“翻译”下这句话——你知道这些生物分子如何会“粘合”，但这不意味着你找到了让他们不“粘合”的方法。两种物质“粘合”是一种特异性，但抵抗生物垢所需要的材料，需要尽可能广泛的普适性。

大概在25 年前，美国哈佛大学的教授George Whitesides 提出了自己对这个“普适性”的思考。他以单蛋白体系为例，如果一材料需要和蛋白不发生“粘连”，需要满足“三大规律”：电中性很好理解，带电容易产生吸附。而前面两个特征，都和水有关，意味着材料表面形成水合层，从而“阻断”生物物质在表面的“生长”。

在此基础上，科学界开始寻找能够抵抗生物垢的材料。早期探索的材料是聚乙二醇，它的结合水层是靠氢键完成的，抗粘附相对较弱一点，而且它的结构不稳定，长期下来会氧化、断裂。另外，这一类材料且有免疫原性，不适合在生物体内的应用。

程钢还在美国读博士的时候，就开始了抗生物垢材料的探索。那时，如果你对一位美国医生说，你开发出了抗菌的导尿管材料，对方会觉得你在说“天方夜谭”。

但当时的科学界已经尝试在各种材料中寻找可能，比如从甜菜中提炼羧基甜菜碱。通俗地讲，羧基甜菜碱会在材料表面“拉拢”一层水分子，并把蛋白质排开。这正是抗生物粘附性的根源。羧基甜菜碱的发现，慢慢打开了新的研究大门：2008 年，程钢首次验证一种两性离子聚合物材料，它能够让绿脓杆菌菌膜在十天内无法形成。十天，在当时已经是一个巨大的突破，这是为什么？“亲水性好的材料，往往也不太稳定，容易跟水跑。”程钢继续说。这就需要继续对聚合物材料进行“设计”，比如，加入聚氨酯增加化合物的“机械强度”。而一种高分子化合物，可以在设计层面千变万化，程钢关注的是寻找这些设计的“通用法则”。

这个过程中，程钢不断延长抗菌的“时间记录”。最新的记录是六个月——有效抑制绿脓杆菌和表皮葡萄球菌形成菌膜。而从10 天到6 个月，实现却花了程钢12 年。

确保药物能降落到“星球”上

正如打通宏观和微观的边界，程钢倡导“全光谱研究”——从化合物的设计，到解决应用的问题，这是一条漫长的链条。但作为研究者，应该了解其中每一个环节。

每一种化合物的探索设计，它更应该是一个“材料平台”，在这个平台上可以开发出不同的应用材料。这就是为什么，在大海里保护船只的涂料，和在血管里保护药物的聚合物，有着共通之处。

毕竟，大海和血管，同样充满了各种不确定性和风险。当药物进入血液，距离它的目的地，还有一段漫长而凶险的旅程。它可能被免疫系统识别捕获，也可能和血管内的各种蛋白质“粘连”。在还没有发挥药效的时候，药就先“阵亡”了。

特别是RNA 核酸药物，需要送入细胞内部，其难度堪比登月。这个时候，程钢和他的团队就还需要设计药物穿过细胞膜的机制，让聚合物“加挂”一些“配件”，让它能和细胞膜产生反应。聚合物就像是护送药物的“飞船”，安全稳定之外，还要确保药物能一一降落到“星球”上。

实验室搭建完毕，程钢和他的团队正紧锣密鼓地着手新的探索。未来，他们开发的材料可能应用出现在导尿管中，可能帮助药物抵达细胞的深处，可能护送船只长风破浪，可能在疾驰的新能源汽车上默默发挥着作用。

程钢特别说到，George Whitesides的那篇论文发表在一本很普通的期刊上，但这完全不影响它的重要性。对于一名工科研究者来说，这个世界就是最顶级的“期刊”，最好的论文是那些能解决问题的方案。“我们最大的乐趣是创造世界上本不存在的东西。”