中国粉体网讯 在导尿管里，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。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，困扰了人类数千年。
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？
在归国学者程钢的眼里，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”为这四类物质和材料的“粘合”。
程钢在实验室
一、个人简介
程钢，1977年生，黑龙江饶河人，美国National Science Foundation Early Career Award(2015)获得者。1999年本科毕业于北京化工大学化学工程学院，获得生物化工学士学位。2005年毕业于美国明尼苏达大学双城分校，获得微生物工程硕士学位。2009年获得美国华盛顿大学西雅图分校化学工程博士学位。
这样的交叉背景，让程钢对生物、化学和工程之间有着独到的思考。
2009年，程钢被美国阿克隆大学化学与生物分子工程系聘为助理教授，2015年晋升为终身副教授。2016年，他加入美国伊利诺伊大学芝加哥分校化学工程系，担任终身副教授，从2018年起担任化学工程系研究生事务主任。2022年12月，程钢全职加入西湖大学，受聘工学院特聘研究员。
二、学术成果
程钢教授课题组的研究领域包括高分子化学，生物界面，生物材料设计和合成，纳米药物。课题组共发表论文80余篇，拥有已获批7项美国及国际专利。程钢教授团队完成了美国国家科学基金会，美国国防部等十余项重大项目。获得的荣誉包括美国国家自然科学基金会青年学者奖，伊利诺伊大学芝加哥分校教学奖，伊利诺伊大学芝加哥分校概念验证等。担任Journal of Functional Biomaterials编委。
程钢课题组开发一系列新型高性能材料、概念和方法来解决长期存在的生物垢挑战。这些材料既可有效解决困扰多个领域（包括医疗，海洋，涂料，石化等工业）的生物垢问题，也可作为工具来探究多种生物垢的形成机制。程钢课题组同时利用实验和计算工具探索高性能抗垢材料在分子、纳米和微观尺度上的内在结构-性能关系，并建立指导材料研发的设计原则。程钢博士的多项工作被《自然-材料》、《科学》和该领域的专家所关注。
三、抗“生物垢”材料的多领域探索之路
在美国读博期间，程钢就开始了抗“生物垢”材料的探索。那时，科学界已经在通过尝试各种材料中寻找可能。比如从甜菜中提炼的羧基甜菜碱，这种化合物整体上呈现电荷平衡，而正负电荷在分子水平均匀分布。另外，相比通过氢键作用产生的水合效应，羧基甜菜碱的水合效应更强。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，慢慢打开了一个新的研究大门：两性离子聚合物。
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。在此基础上，程钢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。从10天，到6个月，这个过程让程钢用了12年。
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。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。
（1）医药领域
在血管里保护药物的聚合物，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，还要确保药物能降落到“星球”上。
（2）电池领域
目前锂电池的能量密度已经呈现一定的瓶颈，而其老化问题依然不可避免。目前学术界正在尝试两性离子材料和锂电池相结合的研究，利用阴离子和锂离子相互作用提升电导率，而两性离子的阳离子部分，又能和阴离子作用，提高离子迁移数。而目前这样的研究正处在早起探索阶段。
（3）未知领域
实验室搭建完毕，程钢和他的团队正紧密地着手新的探索。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，可能在疾驰的新能源汽车上默默发挥着作用，可能……
大概在25年前，美国哈佛大学的教授George Whitesides，中国网友也称他为白边教授，他以单蛋白体系为例，如果一个材料需要和蛋白不发生“粘连”，需要满足“三大规律”：亲水、氢健的供体、电中性。也是在这个思想的指引下，科学界开始寻找能够抵抗“生物垢”的材料。
程钢说，George Whitesides的那篇论文，发表在一个很普通的期刊，但这完全不影响它的重要性。对于一个工科研究者来说，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。正如程钢自己所说：我们最大的乐趣是创造世界上本不存在的东西。
参考来源：
西湖大学WestlakeUniversity：UIC程钢全职加入西湖大学：从血管到大海，都是我思考的边界。
澎湃新闻：海外求学任教近20年后，生物材料领域学者程钢全职加入西湖大学
西湖大学官网
（中国粉体网编辑整理/青黎）
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