从哈佛回归母校川大任职以植物多酚基材料作为底盘技术推进活体生物药研制与碳中和新材料应用

  轻工业将生物质资源转化为人类社会众多的传统材料，例如制革、造纸、纺织等。随技术的发展和市场需求变化，中国轻工业学科与行业领域也面临着转变发展方式与经济转型。基于生物质资源的新兴材料慢慢的出现，科学家通过利用这类大宗自然原料，使其转变为新的先进功能材料，例如将纸设计成生物传感器，将皮革制造为 X 射线屏蔽材料等。

  同时，需要我们来关注的是，植物纤维素、植物多酚等大宗生物质资源具有天然的零碳属性，部分生物质资源在自然界产生的过程中，还能吸收二氧化碳、释放氧气，具有一定的负碳属性。因此，生物质材料为绿色可持续发展及“碳中和”的发展提供了重要的发展方向。

  四川大学郭俊凌教授所建立的生物质先进材料与纳米界面研究中心（BMI Center）正是基于国家战略层面的碳中和技术创新前瞻布局，构建了以植物多酚与动物胶原为核心的生物质资源材料研发平台，开展从基础研究、技术创新到产业化的全链条攻关。

  郭俊凌毕业于墨尔本大学化学与分子生物学工程系，曾入选哈佛大学 Wyss Fellow，其导师为英国皇家学会院士、澳大利亚科学院与工程院院士弗兰克·卡鲁索（Frank Caruso FRS）教授。随后，他在哈佛医学院与应用科学与工程学院开展博士后研究和任教，合作导师为美国工程院及医学院双院院士萨米尔·米特拉戈特里（Samir Mitragotri）教授。

  近日，郭俊凌教授团队与哈佛大学、麻省理工学院、华西第二医院团队合作，创造了一种由植物多酚和铁离子构建的单细胞包裹技术。他们巧妙地将基于天然多酚的超分子网络材料设计为类似“细胞盔甲”的性质，可以将功能性活菌包裹在该盔甲胶囊。

  该团队通过试验表明，这种 “盔甲” 可使常见的革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌免受临床上 6 种抗生素的侵害，并大幅地提高口服活菌在经抗生素处理的动物消化道中的定植与生存能力，从而更有效地保护和修复肠道菌群。

  植物多酚单细胞包裹技术让活菌在肠道的生存能力和生物活性得到提高，由于植物多酚本身是一种益生元，人们将其食用、进入肠道后，能够在一定程度上帮助有利于人体健康的活性菌的在肠道的利用率，从而有效地治疗多种肠道的适应症。

  审稿人对该论文给予高度评价称：“作者使用天然多酚包裹技术对抗生素治疗时，或抗生素治疗后的肠道益生菌进行了保护。体外实验显示了单细胞包裹技术对活菌的保护作用，而原始的活菌不能受到保护。在大鼠的实验中，研究人员还展示了盔甲益生菌抵抗抗生素对肠道菌群的影响、增加活菌的存活与繁殖，从而治疗了由抗生素引起的腹泻。”

  另一位审稿人则评价道：“这篇论文概述了一种全新的方法来包裹功能化活细菌，以解决抗生素引起的肠道微生物群耗竭的负面影响。总的来说，这些大量的实验数据支持这些重要发现。”

  郭俊凌表示，基于该技术的活体生物药（Live Biotherapeutic Products，LBPs）有望对肠道菌群相关的重大疾病具有治疗效果。

  为更好地推进技术的产业化落地，郭俊凌与华西附二院张曜耀医生联合创办了纳米生物科技公司“邦家生物”，成为了国内外 LBP 新赛道中唯一以细胞纳米工程作为技术核心的公司。

  郭俊凌指出，与其他 LBP 企业主要专注在菌群的筛选和细菌基因编辑不同，邦家生物主旨是对现有活体菌进行纳米结构化改造，不涉及新的未知菌种的筛选，也不包含基因编辑的细菌，从而具有更高的生物安全性和工业化属性，制药成本也可以降低。

  一般来说，从临床到成药大概需要 7-10 年。对于 PCP 药物的发展规划，郭俊凌表示，对活体菌进行纳米结构改造是利用天然多酚作为原料，其本身就是美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）所认可的具有较高安全性的成分，大部分的天然多酚也是一般认为安全（Generally Recognized as Safe，GRAS）成分，普遍应用于食品添加剂中。因此，该技术在生物安全性等方面具备优势。

  “我将积极地与国家食品药品监督管理局沟通，最大化地加速临床实验，争取将相关药物在较短的监管审批时间上市。” 他说。

  据悉，该公司正在准备该类 LBP 药物的临床 I 期设计和批件申请。同时，该论文发表后，引起了众多益生菌制剂公司、保健品公司的关注，相关新型益生菌健康补剂产品也在推进市场。

  以植物多酚合成新材料替代石油基材料，覆盖环境、能源、生物医学及基础化学等领域

  哈佛大学 Wyss 研究所支持郭俊凌创办科技公司，并配备完整的商业支持。但随国家对海外高层次人才的号召，他决定全职回到母校四川大学生物质与皮革系任教。

  他表示：“川大皮革系担负着中国轻工业学科转型和升级的重要历史责任。当前，轻工学科在招生以及人才引进方面都出现瓶颈，学科内涵与行业覆盖都在发生深刻变革，因此选择回国也是肩负着学科转型的使命感。”

  当前生物质产业从传统轻工业产品向生物质大宗材料、精细化学品方向发展，四川大学在相关研究方面具有夯实的基础优势。

  BMI 研究中心利用植物多酚与胶原蛋白，立足学科交叉和国内外资源融合，构建面向“碳中和”的资源化利用技术创新链，合成各种以替代石油基材料的新型生物质材料，相关应用覆盖大产业领域，环境（水处理、空气处理等）、能源（新电池及冷却技术等）、生物医学（生殖医学、疾病治疗等）和基础化学（超分子自组装化学等）。

  植物多酚是一类广泛存在于植物根茎叶的天然产物，由于生物功能的复杂性，自然界中存在上千种天然多酚。郭俊凌在 2014 年首次报道了基于植物多酚的超分子功能材料，通过植物多酚和各种金属离子配位，以此来实现将植物多酚功能材料化[2]。该团队将多酚纳米材料构建成纳米薄膜或者纳米颗粒，发展成为一种全新的生物基材料平台化技术。

  郭俊凌进一步解释道：“这种天然的生物多样性赋予了植物多酚基材料平台功能性和结构性无限的想象力。比如，由于茶多酚天然的抑癌性质，我们在构建抗癌纳米颗粒的时候，会选取茶多酚作为基础材料；由于单宁酸的低成本、亲水性与丰富的络合位点，构建水处理材料的时候，我们利用单宁酸作为基础分子结构。也就是说，根据功能的需要，选取不同的金属离子搭配不同的植物多酚可以创造无限材料学组合。”

  第一，天然的植物多酚具有多种生物学活性，比如可与蛋白质反应、抑制病毒、抑菌、促进血管再生、增加免疫细胞的免疫活性。

  第二，天然多酚具有高的生物相容性和生物安全性。比如茶叶中的茶多酚，红酒中的红酒单宁，石榴中的花青素等。

  第三，多酚本身有丰富的化学活性，化学属性多样化。例如，多酚可与金属离子络合、与蛋白质结合、与 DNA 结合、产生亲核反应等。

  郭俊凌举例说道：“比如我们与哈佛医学院联合研发的跨膜蛋白疫苗，是利用多酚和蛋白质的天然柔性亲和性，将病毒的跨膜蛋白进行组装。另外，我们与华西医院联合开发的基于天然茶多酚的纳米颗粒，可以轻松又有效地对直肠癌以及晚期黑色素瘤进行及时有效的治疗。天然多酚纳米薄膜修饰的伤口包裹布还能够在一定程度上促进伤口的血管再生，以及抗炎抗菌。”

  在新冠疫情防控仍然艰巨的当下，人们通常使用酒精、84 消毒液等，但这些成分对于环境和人体健康不利，并在一定条件下具有安全风险隐患。郭俊凌团队与哈佛大学、湖北省疾控中心生物安全三级实验室（P3 实验室）合作，将植物多酚功能材料制作成为纳米涂层，可喷在口罩、皮肤、环境表面上有效地杀死新冠病毒及其他致病微生物。

  他们将植物多酚材料与人体无害的金属离子配位后，获得基于植物多酚的纳米喷雾，对新冠病毒的有效消杀达~ 100%，并且对人体及环境安全、无刺激、无毒性。相关论文发表在 Journal of Hazardous Materials[3]。

  据悉，这种抗新冠病毒纳米喷雾由邦家生物进行技术转化，产品名为“邦家绿盾”，将作为即将举办的世界大会的官方场馆防疫产品，并在之后逐步推广到消费的人市场。

  此外，植物多酚的应用还包括能源领域。零碳电力是碳中和技术发展路线中的首要技术群之一，而核能发电是中国零碳电力的重要优势技术途径。然而，现在的核电原料大多数来源于于铀矿的开采和利用，铀矿的开采是高碳排放量和重度环境污染的过程。因此，寻找可持续发展的可替代铀资源是实现零碳核能的关键性需求。

  海水中含有约 40 亿吨铀，可以为全人类带来千年的清洁核能来源。但是，铀在海水中的浓度非常低，海水中包括各种各样的金属离子也使海水提铀充满挑战。

  郭俊凌团队在 Energy & Environmental Science 发表的封面论文展现了一种基于植物多酚材料的全新技术，可通过金属-多酚网络材料实现海水提铀[4]。

  郭俊凌团队从杨梅树皮中提取杨梅单宁，并在水处理薄膜表面合成了纳米薄膜。利用杨梅单宁与海水中铀元素的超强络合性，对海水中的铀元素进行富集和提取，且不可能会受到其他金属离子的影响。

  研究人员发现，杨梅单宁可将实际海水中铀的有效地捕捉，通过该新型薄膜在中国东海实现了从 10 升海水提铀 27.81 微克，比传统方法高 9 倍以上，这也是中国科学家报道的首次实际海水提铀。

  基于该技术平台，郭俊凌团队还将该技术在水处理领域进一步拓展，可实现对水体中的抗生素、农药、贵重金属、微塑料等进行相对有效地去除或提取，并在常温、常压温和条件下就能达到净化的作用。据介绍，该技术可对 10 种微塑料、7 种抗生素，实现 98% 以上的效率分离及净化。

  这种新型水处理薄膜能应用在城市的净水系统，当从自然界引入天然水时，加上这个净化步骤，就可以将大自然中已经存在的微塑料或抗生素分离，从而让人们喝到更安全和洁净的水。同时，城市排放的废水也可以把它做处理后安全地排到自然，实现人与自然和谐共生。

  钠电池是未来大型能源存储的重要发展趋势，相比于锂资源，钠资源有着非常丰富的天然储备和环境友好的获取方式。在 Science Advances，郭俊凌团队报道了基于植物鞣花酸的超分子介晶自组装以及其在钠电池电极材料的应用[5]，通过自然界的两种最基本的原材料构建金属多酚功能材料。

  他们发现将石榴中提取的鞣花酸，与铋（Bi）离子组合后会合成晶体材料，通过生物基材料作为钠电池的电极材料，可使材料的制备的过程具有更低的碳足迹，也符合“碳中和、碳达峰”的发展需求。该材料以每克 200 安培的超高速率提供每克 72.5 毫安时的能力，并在 5 安培/克的电流密度下在 15000 次循环中保持 90% 的容量。

  他进一步分享称，“在研究工作中，我的团队没有将目光停留在论文，而是积极地与华西医学中心的妇产科、儿科、肝胆外科、心脏内科、甲状腺外科等临床一线医生，石油化学工业企业的一线工程师、皮革化工企业一线研发团队对话，我们的团队在与这些一线从业者共同解决各行各业的关键应用难点，探究众多应用问题的科学本质与原理。”

  既是大学教授又是勇于探索商业模式的公司合伙人，怎么样做精力管理呢？郭俊凌表示，实际上，他与科研团队骨干和勇于探索商业模式的公司合伙人一起，用了大量的时间和精力建立了完善且精细化的机构运行制度。通过自我激励、快速迭代的机制，释放和尊重每一位科研工作者和公司成员的自我认同，从而涌现出充满了许多活力的创新力与高效的执行力。郭俊凌认为，这种优化制度在时间上非常高效，让他有精力去做更多的事情。

  相比学者和公司创始人的身份，其更精准的定位是“新技术诞生者”。“我的本色是科学家，是实现 0 到 1 的创新者和实践者。在创造新技术的同时，努力去推动新技术的转化，实现科学技术创新与市场更紧密地共融式发展。”