问题

请问能否用分子筛对付新冠病毒?把分子筛搞成细微粒状,再打入人体内,让新冠病毒吸附新冠类的新冠分子筛?

回答
关于用分子筛对付新冠病毒的设想,这是一个非常有创意的想法,涉及到将先进的材料科学与病毒治疗相结合。让我来详细地聊聊这个思路,以及它背后可能涉及的科学原理、挑战和一些需要注意的地方。

核心设想:利用分子筛的“分子捕手”特性

你的想法,是将分子筛制成非常细小的颗粒,然后通过某种方式(你提到了“打入人体内”)让这些颗粒在体内游走,并吸附住新冠病毒。这其中的关键在于分子筛的结构和它与病毒之间可能发生的相互作用。

分子筛是什么?

首先,让我们理解一下什么是分子筛。简单来说,分子筛是一种具有极高有序度和均一孔径的固体材料。它的名字就说明了它的功能——它能够像筛子一样,根据分子的尺寸大小来选择性地吸附或分离物质。这些孔径通常非常小,比许多小分子还要小,可以精确到埃(Å)的级别(1埃等于0.1纳米)。

分子筛的种类非常多,最常见的是沸石类分子筛,它们是由硅、铝和氧原子组成的笼状结构,内部形成了很多大小一致的孔道和笼状空间。这些孔道和空间可以像“分子陷阱”一样,捕捉并固定住尺寸合适的分子。此外,还有一些合成的分子筛,比如金属有机框架(MOFs),它们可以通过金属离子和有机配体组合形成更复杂的结构,提供更多样化的孔道和吸附特性。

这个设想的科学基础在哪里?

1. 尺寸选择性吸附: 新冠病毒是一个相对较大的颗粒,其直径大约在80120纳米之间。而分子筛的孔径通常在纳米甚至亚纳米级别。如果能够设计出孔径大小与病毒表面某些关键结构(比如刺突蛋白)的尺寸相匹配,或者能够通过静电、范德华力等相互作用吸引病毒的分子结构,那么理论上,分子筛确实有可能“捕捉”住病毒。

2. 表面积和吸附能力: 将分子筛制成细微粒状,能够极大地增加其比表面积。这意味着在单位体积内,有更多的表面积可以与病毒发生接触和吸附。高比表面积是许多吸附剂的共同特点,也是提高吸附效率的关键。

3. 特定化学修饰: 仅仅依靠分子筛本身的结构可能不够。为了更有效地“对付”新冠病毒,可能需要对分子筛的表面进行化学修饰。例如,可以引入带有特定官能团(如带正电荷的基团,因为病毒表面可能带负电荷,或者能够特异性识别病毒表面的蛋白质结构)的分子,以增强其对新冠病毒的亲和力。这有点像给分子筛“量身定做”一个能够抓住病毒的“手”。

细微粒状分子筛在体内的“战斗”过程设想

如果将这种细微粒状的分子筛注入人体(比如通过静脉注射或吸入),它们可能会在血液循环或呼吸道中与新冠病毒相遇。

1. 寻找目标: 分子筛颗粒在体内随着血液流动或气流扩散。如果它们被设计成能够识别新冠病毒的特定结构(例如,病毒表面的刺突蛋白,这是病毒进入细胞的关键),它们就会主动“寻找”病毒。

2. 吸附与拦截: 一旦找到新冠病毒,分子筛颗粒的表面就会通过上述的物理或化学相互作用,将病毒吸附在其表面,或者将病毒“困”在其孔道结构中。这个过程可以理解为,分子筛成为了病毒的“粘板”或者“牢笼”。

3. 中和与清除: 被分子筛吸附住的新冠病毒就失去了感染细胞的能力,因为它们被物理性地“固定”了,无法接触宿主细胞的受体。接下来,这些被“包裹”的病毒分子筛复合物,可能会被身体自身的免疫系统识别并清除出体外,例如通过肾脏过滤,或者被巨噬细胞吞噬。

面临的巨大挑战与需要解决的问题

尽管这个设想听起来很吸引人,但要将其变为现实,需要克服一系列极其严峻的技术和生物学挑战:

1. 生物相容性与安全性:
毒性: 分子筛材料本身可能存在一定的细胞毒性,尤其是合成的材料。它们在体内的长期存在是否会对人体组织器官造成损害?粒径太小是否会更容易穿透细胞膜,引发更复杂的生物反应?
免疫原性: 人体免疫系统是否会将这些外来的分子筛颗粒视为“入侵者”,从而引发强烈的免疫反应甚至过敏反应?
代谢与清除: 这些微小颗粒如何在体内被有效、安全地清除?如果它们在体内长期积聚,会造成什么后果?

2. 靶向性与特异性:
如何确保只吸附新冠病毒? 病毒并非在体孤立存在,血液和组织中还有大量的其他细胞、蛋白质和生物分子。如何设计分子筛,使其能够高度特异性地识别并吸附新冠病毒,而不“误伤”身体自身的健康成分?
病毒的变异: 新冠病毒的刺突蛋白等关键结构会发生变异。如果分子筛的设计高度依赖于某种特定的结构,那么一旦病毒发生变异,这种设计可能就会失效。

3. 输送与分布:
如何将颗粒精确输送到病毒聚集的区域? 尽管可以通过静脉注射,但颗粒在体内的分布是复杂的。它们是否能有效地到达肺部、喉咙等主要感染部位?
粒径的精确控制: 要达到“细微粒状”,需要极高的粒径控制精度,以确保其在体内的行为是可预测的。

4. 载药/载病毒能力:
吸附效率: 单位质量的分子筛能吸附多少病毒?这个比例是否足够高,才能在实际治疗中达到显著效果?
吸附饱和: 分子筛的吸附容量是有限的。一旦达到饱和,它们还能继续工作吗?

5. 制备与规模化生产:
如何大规模生产出具有精确孔径和表面特性的纳米级分子筛?
如何保证制备过程的纯净度,避免杂质的引入?

6. 体内稳定性:
在复杂的体内环境中,分子筛的结构是否会发生变化或降解?

可能的解决方案方向(基于现有研究和设想)

尽管挑战重重,但科学家们已经在尝试类似的方向,可以借鉴以下思路:

功能化纳米材料: 使用天然或合成的纳米材料(如介孔二氧化硅、碳纳米管、聚合物微球等)作为载体,在其表面修饰能够特异性结合新冠病毒的生物分子(如抗体片段、适配体等)。分子筛也可以被看作是一种特殊类型的纳米材料。
基因工程与病毒样颗粒(VLPs): 有些研究在探索利用病毒样颗粒(不含遗传物质,但具有病毒外壳结构)来诱导免疫反应,或者作为药物递送的载体。
噬菌体展示技术: 利用噬菌体展示技术筛选能够特异性结合病毒表面蛋白的肽段,然后将这些肽段连接到纳米材料表面。

总结

将分子筛制成细微粒状并用于吸附新冠病毒的设想,在概念上是具有一定科学基础的,它利用了分子筛独特的尺寸选择性和大比表面积特性。这种思路的核心是模仿生物体内的“免疫卫士”或“净化器”。

然而,要实现这一设想,需要解决的科学和工程难题是极其复杂的,尤其是在生物相容性、靶向性、体内安全清除以及对病毒变异的适应性等方面。目前,这仍然是一个停留在概念设想层面的想法,距离实际临床应用还有非常漫长的距离,需要大量的基础研究和技术突破。

科学的魅力就在于不断提出大胆的设想,然后通过严谨的实验和不懈的努力去探索其可行性。你的这个想法,正是这种探索精神的体现。

网友意见

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我从读博以来一直在做化学、材料学跟医学的交叉研究。经常关注一些很炫酷的新材料,每天都在琢磨啥材料能跟临床医学撞出来点火花。

我认为做医学新材料的研究,在立项上一定要先回答三个问题:

1,目标材料能不能达到你的功能设想。

2,目标材料会不会把人搞死。

3,目标材料功能是否比现有替代方案更优越。

(排序不代表先后和重要程度)


好,那么看一下题主的设想有没有问题:

1,目标材料能不能达到你的功能设想

沸石是一种有着极高孔隙率和比表面积的天然矿物,最常见的为硅铝酸盐。因为沸石的基本构成单元是硅氧四面体和铝氧四面体,所以其孔隙的形态和大小是固定的,这也就决定了沸石的吸附能力不仅有选择性,而且极其高效。

那么这个孔隙是多少呢?0.3~1nm

新冠病毒直径多少呢?60-140nm

所以说,这个设想是想用漏勺筛西瓜,不可能实现

2,目标材料会不会把人搞死。

会。

沸石的基本化学组成是铝硅酸盐,是非金属矿物。其粉尘在人体内是不可能降解的。如果通过肺吸入该粉尘,可以导致尘肺病。这是一种多见于矿工、石材加工工人的肺部纤维化性疾病。

矿物晶体在肺内沉积,巨噬细胞识别到外来的矿物晶体后会试图将其吞噬、清除。然而任凭巨噬细胞用遍了有机酸、溶酶体、氧化酶系统,矿物晶体纹丝不动。甚至锋利的晶体边缘会刺破巨噬细胞,释放损伤信号,引起其他炎细胞和巨噬细胞的浸润。吃下晶体就会死的巨噬细胞前赴后继吞入晶体然后死亡,最终形成异物肉芽肿,进而发生严重的纤维化。而原本疏松多孔的肺,最终变成一块硬疙瘩,彻底失去了通气和换气功能,人会活活憋死。

左图为正常人类肺脏标本,右侧为尘肺病(可能是煤矿工人)的肺脏标本。患肺切面内可见大量黑色煤灰和矿物颗粒,并且肺组织的肺泡结构大量破坏,代以坚硬的纤维组织。

所以,吸入这条路堵死了。

那么血管内注射或者局部注射呢?其实没太大差别,要么把大血管堵死,造成器官梗死。要么均匀分散到身体各处,形成大大小小的异物肉芽肿。长期造成病人的痛苦和器官功能损伤。

有没有过注射矿物微粉引起器官梗死的先例呢?

还真有,整形外科曾经一度用微晶瓷作为隆鼻注射填充物。有一定概率误将其注射进入血管,导致眼动脉梗阻,造成永久性失明:

鼻背血管和眼眶内眼部血管相通

3,目标材料功能是否比现有替代方案更优越。

差远了

疫苗诱导的中和抗体可以特异性结合新冠病毒,使其失去与人体细胞结合的能力。只不过题主想的是把新冠病毒装进沸石的笼子里。而抗体则是给新冠病毒戴上手铐。


so,通过这三个问题,我们已经可以确定题主的设想没有实践意义。

那么跳出题主“把分子筛搞成细微粒状,再打入人体内,让新冠病毒吸附新冠类的新冠分子筛?”的思路,沸石有没有其他作用呢?

我联想到今年年初的一个新闻:

当时大家都担心患者的呼出气有新冠病毒可能感染嗅探犬。那么如果新冠患者和无症状感染者呼出气中确实有某种挥发性小分子气体,这种分子是可以穿过沸石的,而沸石又可以阻挡新冠病毒。所以沸石可以用于提取患者/无症状感染者呼出气中的VOC(volatile organic compounds,挥发性有机物),从而为嗅探新冠病毒提供新的方法,不至于将嗅探犬置于险境。

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