仿血管、仿腎臟、人工肝臟……有多少福音生物醫學工程帶來

曹曉晨　陳映其

懂生物、懂工程

走進生物科學與醫學工程學院，副院長周平老師熱情地為我們介紹起學科歷史來：“國內最早設立這門學科的高校是1978年的西安交大，浙江大學緊隨其后，1983年便是我們東大。學科創始人韋鈺院士對生物醫學工程學科的發展進行了頗具前瞻性的布局，1981年從海外回國后，她就提出發展生物電子學的想法，生物分子電子學的基礎研究也隨之展開。1985年，國內第一個分子與生物電子學實驗室建成，1993年，國內第一個‘生物電子學博士點創建。這些都使我們的學科發展具備了先天優勢。也因此，對生物芯片、分子電子學的研究，東南大學在國內都是最早的。”

“生物醫學工程，實際上更多的是發展一些新的材料，新的器件、儀器或者是技術，來解決生命科學的問題。首先得懂生物，知道生物、醫學是什么樣的，其次要懂得怎樣去做工程，這就涉及到物理、化學材料，包括機械、電子、儀器等等各個方面了。”為了讓我們深入了解這門學科，周老師邀請來學院多位老師和同學，一起來探討這門學科的復雜和有趣之處。

仿器官、造儀器

生物醫學工程研究的領域挺多。

[器官芯片和單細胞分析]

器官芯片一直以來都是國際前沿和一流研究的“香餑餑”，美國奧巴馬的施政方針中就曾有過詳細的規劃。那么器官芯片究竟有何用處呢？對此，副院長趙祥偉教授向我們解釋道：“器官芯片主要用于進行藥物實驗，降低藥物篩選風險，減少對人體的副作用。眾所周知，藥物在臨床使用前需要長時間的動物實驗，而我們只取人體的部分細胞模擬器官和系統，在芯片上模擬化學反應，可做出仿血管、仿腎臟等多種材料。”一般來說，一種新藥從研發到生產，再到投入臨床往往需要十幾年甚至更長的時間。很多藥物研發失敗往往是由于最后不能適用于人體，他們用人的器官和組織代替猴子、豬、狗等動物進行實驗，避免了倫理道德問題，也更接近人體實際情況。此外，芯片作為化學反應，出結果的速度遠遠快于動物，更是大大加快了臨床推進的周期。

針對該方向目前的發展，周老師向我們做了細致的描繪：目前，相關團隊正針對藥物作評估的臨床實驗，比如以納米材料為基礎做出人工肝臟，在肝臟細胞逐漸成長后放入藥物，然后觀察肝臟如何代謝、藥物對肝臟有哪些損傷等。雖然基礎，但學院在該方面的研究已達到國際先進水平，“器官芯片學科創新引智基地”也入選了國家“111計劃”（該計劃瞄準國際學科發展前沿，以國家重點學科為基礎，從世界范圍排名前100位的著名大學及研究機構的優勢學科隊伍中，引進、會聚1000余名優秀人才，形成高水平的研究隊伍，建設100個左右世界一流的學科創新引智基地）。

器官芯片的研究前景雖一片光明，但亟待解決的問題也不少：如何預防、干預、后續治療；人體和病癥之間怎樣相互作用；藥物需要多大劑量才會產生效果等等。博士生王潔告訴我們，人體的每個器官由許多組織構成，組織又可拆解成各種細胞，每個細胞通過三維的方式生長。一旦細胞被拿出體外放在芯片上培養，它就會受到空間的影響而坍塌、拉長，無法保持在體內生長的效果。因此，如何“培養”出一顆健康的立體人工器官，是目前師生們的重點研究內容。

除了器官芯片，學院在生物芯片方面的研究也同樣可圈可點。近日，常寧博士帶領的科研團隊研發出世界領先的光子晶體微球技術，只需將最低50微升的樣品放入運用該技術的自動檢測儀中，5～10分鐘即可一鍵式完成對肝癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌等多種常見癌癥標志物的檢測。此外，學院老師還在進行大腦相關的研究，如研究人腦在學習過程中的生物學、醫學機制；主攻生物醫學大數據，包括人腦活動和腦之外的遺傳學、基因、疾病關聯信息。

[納米生物學、生物力學、醫學成像]

器官芯片是生物醫學工程非常前沿的方向，但它只屬于納米生物材料的一小部分。在生物醫學工程領域，納米生物和生物力學、醫學成像可謂是形影不離的“三人行”。納米生物可應用于醫學成像，醫學成像能服務于生物力學，生物力學與納米生物也在多個領域密不可分，三者深度交叉，相互影響。

磁共振是不少疾病確診的重要“顯示屏”，花在它身上的功夫必不可少。“我們的磁性納米材料可應用于醫學影像，從醫學院臨床的試驗對照來看，我們用做出來的磁共振造影劑效果遠比目前商用的好，和照片底片一樣清晰，能在手術過程中準確地引導醫生，這是技術上的一個巨大突破！”周老師自豪地說道。目前，他們已拿到這種材料制備的生產許可批文。

在醫院里，CT（電子計算機斷層掃描）也是呈現器官影像的重要儀器，但目前醫院臨床使用的CT體積較大且分辨率有限，對小型個體、局部器官等的成像能力，難以滿足科研的需求。羅守華教授研發了一款高分辨率顯微CT，為更精細的骨骼力學研究提供了可能。周老師提到：“我們研究骨質疏松問題時，需要觀察骨里面的骨小梁，但骨小梁的厚度只有200微米左右，有的地方僅100微米，臨床CT分辨率太低，基本無法顯示，這時羅教授的顯微CT就能大顯身手。”事實上，研發出微米級別的設備已十分艱難，羅教授的新儀器卻能達到幾百納米的分辨率，這是一個飛躍。有了高精尖設備的加持，羅教授團隊與眾多高校、院所進行了合作，如與南京農業大學食品安全方向的項目合作，利用顯微CT進行食品安全的檢測。

這三個研究方向交叉性強的特點，在具體應用時體現得最充分。比如探究骨質疏松的程度時，需要運用影像學、生物力學和物理學的知識；如果對骨進行治療，則有可能涉及納米生物學和生物力學的內容；若進行髖關節置換、骨關節置換手術等，納米生物學又可大顯身手。如今，醫生們對骨質疏松的診斷不太精確，時常出現誤診：手術后，骨植入物的生長與人體的匹配效果不佳，可能會脫落或導致較為惡劣的副反應。霍夢科同學是鉆研骨模型的一把好手，提到自己擅長的生物力學方面，他神采飛揚：“基于這些問題，我首先要建立骨模型，其次從力學或營養學角度進行總體分析。其中還涉及到力學模擬、圖像學的特征采集等內容，這是個很復雜的工作。”

[基因測序和生物信息學]

除了顯微CT，學院里還有一臺“鎮院之寶”——高通量DNA測序儀。基因測序技術被看作自疫苗問世以來疾病預防最重要的科技突破，它不僅可以大大降低遺傳相關的疾病發生率，減少出生缺陷，還可以實現對疾病預測、預防、預警以及個體化診療。

徐春祥教授向我們介紹道，基因測序分析儀，是學院從科學基礎研究到技術實現的最好體現。學院研發出來的儀器，如今在世界最大的基因測序公司華大基因運行。以這個機器為基礎，研究團隊參與了許多有重大影響的基因序列分析。現在，他們主要在做第三代的單分子測序技術，“美國不少大學都在用我們開發的平臺做基因的預測。”

[移動醫療]

東大生物醫學工程學院的科研不僅遍及普通醫院的醫療，就連航天領域也有“涉足”。天宮一號中測量宇航員尿液的便攜式傳感器，便是學院的科研團隊做的。這個便攜式傳感器可以通過生物芯片監控宇航員尿液中的三硝基苯胺含量，監測他們在宇宙中的喜怒哀樂等情緒，再由天宮一號傳回地面，為航天實驗提供了直觀又準確的參考數據。周老師笑道：“說白了，醫學電子就是做儀器，把方法變成實體。”將科研成功轉化成實體設備是產學研環節中的重要一環，醫學電子學是“必經之路”，移動醫療就是“終極理想”。

學院里還有位年輕教師，正計劃制作一臺采集生物醫學信息的小型便攜式儀器——能在專家不在場的環境下（如家中）得到較為準確的生物醫學數據。采集完數據后，還可通過網絡聯系到具體的醫生專家系統。“如果測出的血壓、心跳、脈搏，甚至血糖、尿液信號不正常，這臺儀器就會報警，醫生和專家系統也同時能夠得知，并提出干預方案。”周老師告訴我們，目前全球都在加緊研究這類儀器，國家也在積極倡導，東大已將此列入進一步建設“雙一流”的規劃之中。

培養，非“用”

為培養出生物醫學工程領域的領軍人才和復合型人才，東南大學生物科學與醫學工程學院有著超前的培養理念。從之前本科生畢業時僅可獲工學學位，到后來可獲醫工雙學位，再到目前學院實行的國內該專業唯一的七年一貫制培養方式，學院逐漸形成了一套完善的人才培養體系。

學院非常重視基礎課程，物理、化學、計算機、電子等科目自然不必說，每位同學還必須學習“傳說中”最難的數學——工科數字分析。與此同時，學院還“兩手抓”，鼓勵學生盡早開展學科研究。“從大二開始，學校和學院都會設立科研項目，鼓勵同學們根據自身方向和興趣選擇，盡早確立自己的研究方向。”

在學生的培養過程中，老師們重點培養的是學生解決問題的能力，采用了“培養”而不是“用”的思路，注重讓學生有自己的想法，盡可能不依賴老師取得更大的成就。“我可以告訴你怎么做實驗，但只會告訴你基本步驟，至于每次加多少毫升，先后加什么等具體內容，就要你自己來設計。”周老師強調，讓學生知道“我該怎么做”，是學院最注重培養的能力，貫穿在學生學習、科研、畢設等各方面。

周老師以霍夢科同學為例：“他的研究首先要把骨模型抽象成物理理論，然后變成數學問題，再用一個完整嚴謹的數學模型去表述機理和設計方案，接著做實驗、分析結果，再反饋結論是否正確。整個過程中涉及的理論、實驗設計和具體制作，如果不清楚自己要什么，以及如何實現，研究一定是做不下去的。”霍同學說：“目前，我做的是將CT中采集骨數據的圖像進行提取分析，然后做出診斷及術后分析。如老師所說，整個模型就是在不斷實驗、不斷修改、不斷更正之前的猜想中成型的。研究問題首先提出的是猜想，這個是最主要的，接著還要反復設計實驗模擬驗證。現在，我已經有了整個模型框架以及大概推導的公式。”

王潔同學介紹道：“我主要的工作是細胞的三維培養，弄清細胞與細胞、細胞與外界相互作用的條件，讓它在體外長成和體內一樣的立體形態。理論上的匹配條件不難，但這其中的具體操作非常復雜，尤其是環境因素不易控制，我只能努力鉆研和探索，想想我該怎么做才能讓它們越來越接近真實的人體器官，而不是一味求助導師。”

具備了初步解決專業問題的能力后，學院鼓勵學生在學科的前沿研究中發揮作用。如今已成為教授的楊芳開展“氣泡大業”便是其中典型。她通過一種納米顆粒的聚合物微氣泡造影劑，實現了超聲診斷和磁共振成像雙重顯影的增強效果，再通過對二者圖像的聯合分析，獲取更多相關的結構和功能信息，以達到對疾病的早期、準確診斷。對于這種創新方法，周老師充滿贊賞：“雖然這種方法目前還未應用于臨床，但今后可以將它用于精準醫療，從新角度觀察癌癥病狀。”

同學問同舟共濟的合作更為啃下科研“硬骨頭”注入了強大動力。在研究過程中，王鵬和霍夢科互為對方的技術支持。王鵬主要研究精納米科技膜的電學性質及輻射性質，而霍夢科的任務之一就是把納米膜做成需要的形狀填充在骨頭內，通過骨修復過程中的信號變化觀察骨頭的長勢。在此過程中，兩人可互助論證對方的理論正確與否，使研究一步步深入下去。