造福人類的海綿

林馭寒

古老的海綿

海綿是地球上最古老的生物之一，是大自然送給人類的一份有趣禮物。天然海綿是世界上結構最簡單的水生多細胞動物，種類眾多，形態各異，絕大多數生活在海底。

古希臘克里特島的壁畫中，記載了人們對天然海綿最初的認知和利用。中世紀開始，除了作為清潔材料使用以外，天然海綿逐漸被用于繪畫和醫學等多個領域。盡管當前海綿動物的種類數以萬計，但是2000多年來只有10余種天然海綿為人所用。

實際上，我們常用的天然海綿是一些海綿的針狀內骨骼。根據種類不同，這些內骨骼分別富含鈣或硅等無機鹽或網狀蛋白質纖維，在所處環境的影響下，這些內骨骼形成了非常特別的多孔結構，并成為海綿生命的支撐。

依賴于這種多孔結構，海綿一方面可以攝入氧氣及海水中的微生物、無機鹽，完成代謝產物的排泄，進行繁衍。另一方面，海綿的內骨骼及其多孔結構賦予了它們死后可“重生”的特性，即當它們離開大海失去生命時，仍然維持著彈性、剛性和親水性：在干燥狀態下外觀像一團爛棉花，揉搓起來能夠抵抗一定外力;而重新進入水中則馬上恢復了豐潤柔軟狀態，仿佛重生了一樣。

人造海綿應運而生

20世紀50年代以來，天然海綿價格居高不下，過度開采加劇了天然海綿的產能危機。隨著海綿一些神奇的“密碼”被科學家加速破譯，各種人造海綿及其相關產物開始豐富人們的生產生活。

業界普遍認為，最初的人造海綿源自1952年德國拜耳公司研制的廉價的軟質聚氨酯發泡材料。雖然這些材料是由多種化學成分合成的泡沫塑料，但是其外觀與天然海綿非常相似，布滿了互相連通的孔洞，手感柔軟，且具有一定彈性和吸水能力，可以在某些場合替代天然海綿使用。拜耳公司研制的海綿極大地鼓舞了人們進一步合成或加工具有類似結構的人造海綿材料。

從成分來看，各類聚氨酯發泡材料仍是具有代表性的人造海綿品種之一，被廣泛用于家具制造業、汽車工業、鞋業、藝術品行業，甚至航天領域。人們通過調整原材料配方可以得到不同功能的聚氨酯海綿，比如，聚酯型聚氨酯海綿具有較好的拉伸性能、耐溶劑性能和耐高溫性能，而聚醚型海綿則具有較好的硬度、彈性和耐水解性能，更適用于低溫場合。

而一度成為航天員專用的記憶海綿，也不過是由于其合成配方中加入了一些硅油等成分，從而改變了聚氨酯海綿的黏彈性和溫度特性。在原材料配方中添加阻燃劑、導電材料等功能成分，還可以將聚氨酯海綿的使用范圍進一步擴展。通過對發泡工藝進行性能分析與參數優化，可以充分調整聚氨酯成型后的性能及其可加工性。人們再依據這些性能指標將它們送到各自的用武之地。

生活中常見的另一類海綿是由木纖維素纖維或紙漿纖維發泡制成的。這是一種相對環保的海綿材料，其骨架成分賦予了制品更多的親水性和彈性，干燥狀態下質地堅硬，遇水后其致密細微的多孔結構能使之充分利用毛細管原理快速完成水的吸附及脫附過程。

應用于醫療領域的海綿則多以具有生物親和性的成分制成。比如，科學家將天然牛跟腱酶解、純化后提取膠原蛋白，隨后通過高分子互穿網絡技術合成了多孔海綿材料。這種海綿材料已應用于臨床止血、抗感染、軟骨修復中，而經過抗菌修飾的聚乙烯醇縮甲醛海綿也大量被用于促進傷口愈合等方面。

與天然海綿成分不同，合成的人造海綿大多數都可被看作是石油海綿（即原料來自石油的海綿）。然而近30年來，在石油海綿大行其道的同時，天然海綿賴以生存的家園卻被人類的石油開采利用活動逐漸破壞，這也給人類的生存帶來挑戰。為此，人類著力研制具有油水分離能力的材料，盡力彌補海上石油泄漏、污染所造成的損失。

于是，擁有巨大的表面積和疏松的多孔結構的海綿類聚合物材料又一次進入人們的視野。人們對材料表面進行處理，使之獲得特殊的濕潤性，改變其親水親油的能力。其中具有代表性的，是中國科學院長春應用化學研究所研制的氟代物取代聚乙烯醇泡沫材料。聚合物本身的溶脹特性和表面特性賦予其超強的吸油能力和超高的分離效率，而疏松的多孔海綿狀態可以使之經受反復擠壓并可重復利用。這一研究成果加速工程化后，有望為海上石油污染處置提供新的路徑。

天然海綿蘊含著巨大“寶藏”

盡管天然海綿一度成為人們規模化養殖的經濟動物，但物美價廉的人造海綿淘汰了天然海綿的傳統經濟利用價值。然而隨著科學技術的發展，人們又發現了天然海綿蘊含的巨大“寶藏”，并提出“海綿生物技術”的概念。

天然海綿具有一定的降解海水污染物的能力，其降解機理和凈化能力還有待人們進一步發掘和利用，也許未來人們只要規模化養殖某些天然海綿即可達到維持區域水域環境生態平衡的目的。

由于體內含有最為豐富的海洋活性物質，天然海綿的化學成分提取分析和加工利用成為海洋藥物開發工作的熱點。相關研究顯示，其在神經疾病、癌癥的治療過程中體現出積極作用。

此外，海綿骨針的微觀結構、特性、生長機制也不斷引起生物學家、仿生科學家的研究興趣。人們在分子水平上對海綿骨針顯示出的導光作用進行研究，為光纖制造提供了新思路。而基于天然海綿的仿生功能化工作，也給醫學領域、環保領域和智能材料領域的專家提供了新的研究契機。在這方面，哈佛大學天然抗癌成分“軟海綿素”的人工全合成工作，走在了世界前列。

彌足珍貴的天然海綿是海洋送給人們的禮物，也為人類科學技術的發展做出了巨大的犧性。而當下，人們除了加速科技研發之外，也需要加大力度保護好天然海綿的生存環境，只有人與自然和諧共存，才能謀求長足發展。

（依依摘自《科學畫報》2020年第12期）