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徐铭恩:生物3D打印技术创造“永生”

发布时间: 2015-01-27 07:01 来源: 经济参考报 作者: 网络 点击: 我要评论 条评论)

生物3D打印技术的发展,使得人类更具勇气“挑战死亡”。

谷歌的拉里·佩奇说,细胞的3D打印,还有现在的细胞重编程,这些技术在未来有可能攻克死亡。未来学家雷·库茨韦尔有一个更“疯狂”的说法,他说人类已经到了“永生的边缘”。雷·库茨韦尔的解释是,未来二三十年开发的技术,可以让你再多活二三十年,多活的二三十年又有新技术出现,可以再让你活得长一点。

而在中国,杭州电子科技大学教授、捷诺飞生物科技有限公司创始人徐铭恩与其团队,成功研制出了可打印生物材料和活细胞的商品级3D打印机。这个团队提供的基于3D打印的药物开发服务、假肢康复辅具等医学应用,已经拓展到了全球十大制药公司和知名的医疗机构。

不追求违反自然规律的“永生”

生物3D打印技术发展究竟能给人类带来什么样的福音?徐铭恩对此有着自己的理解。“我相信,通过研究3D打印,一定可以延长人类的寿命,但我个人觉得研究这样的技术不是去追求违反自然规律的永生,让天下父母活到儿女成家,长辈活到晚辈尽孝,这是我们工作最大的热情来源,与自然和谐共存才是我们的追求。”

在高中时代,徐铭恩就是物理学科的“学霸”。高二时,他已经开始系统学习微积分、大学物理,并在各级物理竞赛中崭露头角。

但也就是在这一年,他的外公去世了。“学校离医院很近,接到外公病危的消息,我从教室跑去病房,看着他的心跳曲线从有到无,摸着他的手渐渐凉去。”

徐铭恩开始觉得,“物理离挽救生命的技术有点远”。生命科学成了他的新方向。

高考填志愿时,他选择的专业是“药学”,想着开发新药物来治病。本科读下来,发觉还是需要了解更多的技术,研究生阶段又转攻生物医学工程学,希望能用新技术来解决药物无法治疗的疾病。

2005年,徐铭恩在做博士后研究时,接触到了生物3D打印。“如果这项技术能运用到医学上?”他就此“定情”。

2012年他和团队在这一领域的工作,被国际期刊《Biomaterials》(《生物材料》)评价为“生物3D打印领域最先进水平”。

2013年,为了给其他生物医学研究的科学家提供稳定的工作平台,他和团队一起,成功研制出可打印生物材料和活细胞的商品级3D打印机“Regenovo”。这台3D打印机,成功打印出了人类肝脏单元、脂肪组织等,打印出的细胞存活率达90%,最长存活时间4个月。

“实践证明,3D打印在生物医学领域的运用很广,例如用于制作医疗模型,术前将体内病变的骨骼或器官打印出来,供医生和患者沟通或制定手术方案。又如药物筛选、假肢假体等等。”

多年基础研究,他经历了很多次考验,不乏“绝望时”,但他坚持跑了下来。他说,“理想不是挂在嘴边说的,有时甚至可能忘记它还存在,但在人生无数次选择和坚持的关口,理想就是关键的那枚砝码。”

从“甜甜圈”实验到生物3D打印机

汽车有发动机、变速箱等部件,一旦坏了,可以更换。人的器官也会衰老,或者受到外力损伤,如何应对?

现在的常规方法是器官移植,但需求量和供给量太过悬殊。例如在中国,器官移植的患者和供体的数量比是150:1。这意味着150个需要移植的患者中,只有1个人可以等到移植的器官。即使是那个“幸运儿”,由于移植的器官来自于异体,受到人体的自体免疫系统的排斥,因此一生都要一直服用抗免疫的抑制剂。

有没有别的办法?克隆是一种技术方案。但目前医学上治疗性的克隆,只对少数几个疾病开放,胚胎培养不能超过14天。因为那时胚胎的心脏就开始跳动,神经也开始发育,已经是一个生命。所以不管是美国、英国,还是中国,对人的克隆都是明令禁止的。何况,克隆在技术上也还有许多问题需要解决。

所以3D打印技术出现后,科学家们认为,其具有的快速性、准确性及擅长制作复杂形状实体的特性,使它在生物医学领域有着非常广泛的应用前景。

2005年,正在清华大学机械工程系做博士后研究的徐铭恩,接触到了生物3D打印。

细胞3D打印的生物学基础源自一个著名的实验:把老鼠的动脉血管切成一个个的环状结构,像甜甜圈一样,把这些“甜甜圈”全部套起来,大约72小时后,这些“甜甜圈”重新长到一起,形成一个有功能的、可以输送血液的血管。这个实验说明,假如科学家能在体外用一种技术把细胞按照它体内的结构堆积起来,是有可能成为功能性的结构的。

但要把理论的可能性变为现实,并非易事。徐铭恩遇到的第一个难关是细胞的损伤率。最初打印出来的细胞,损伤率几乎达到了90%以上,很多时候是100%。“我刚刚做的时候,几乎绝望。大概7、8个月的时间里,不停地做,每天换三、四套实验方案,换材料、换打印的参数,半年多以后,终于让细胞在里面活下来了。”

解决这个问题后,徐铭恩又碰到“幸福的烦恼”,细胞在里面疯长,把整个结构都填满了;又或者是,细胞长起来了,但把支架给吃掉了,因为用来做支架的材料是对细胞有营养的物质。

围绕这些情况,又进行了较长时间的实验。慢慢地,他可以控制细胞在里面的生长,甚至可以控制细胞在里面的分化。后来又发展到能预留出计划中的通道。

生物3D打印的101种可能

徐铭恩创立的杭州捷诺飞生物科技有限公司(以下简称“捷诺飞”),是中国3D打印产业联盟的副理事长单位,也是如今国内这一领域的领先企业。在国际市场,捷诺飞也受到关注。他们的研究成果在美国亮相后,导致同领域中一家知名的美国上市公司股价出现大幅波动。

“每个人的身体构造、病理状况都存在特殊性和差异化。3D打印与医学影像建模等技术结合之后,就能够在人工假体、植入体、人工组织器官的制造方面产生巨大的推动效应。”徐铭恩说。

捷诺飞的“典型客户”名单里,有上海交通大学、华南理工大学、四川大学、解放军304医院、天津武警总医院、华西医院、南京鼓楼医院等。实践证明,3D打印能很好地帮助制作医疗模型。术前将患者体内病变的骨骼或器官打印出来,供医生和患者沟通或制定手术方案。

除了来修补、替换人的器官以外,细胞3D打印技术在药物研发领域的应用也非常广泛。

徐铭恩介绍说,目前既有的药物开发有两种类型:一种是高通量的分子模型,脱离人肌体的整体环境,所以筛选是不准确的;第二种是动物模型,动物和人是有种间差异的,动物身体有效的,到人身上可能就无效;动物身上无毒的,到人身上可能就有毒。因此药物的开发产业投入非常大,数字显示,2011年美国制药工业协会新药研发投入约674亿美元,其中光辉瑞一家就投资了94亿美元。但是新药产生的效率却很低。

“现在有了3D打印技术,我们能用打印出来的人的细胞或组织器官,进行药物筛选,这给整个药物筛选体系带来了革命性的改变。”据了解,捷诺飞公司提供的基于3D打印的药物开发服务,已经拓展到了全球十大制药公司和知名的医疗机构。

此外,徐铭恩团队还成功完成了一些生物相容的生物支架的打印。“生物3D打印的支架在宏观和微观结构上都可以很好地契合受损组织的结构需求,这在临床上,在为病人进行组织修复时,是非常重要和有用的。”

“我们也在尝试一些更有意思的工作,例如能不能把细胞打印到芯片上,然后让细胞和芯片之间建立信号传导。我们曾设计了一块芯片,上面有不同的传感器,有的可以感受细胞的生长,有的可以感受细胞的动作链位,把这个芯片封装,在上面打印上不同的细胞,最后能够检测到那些打印的细胞的功能或者说活性。”徐铭恩说,用这个芯片来进行药物筛选,他们筛出了一些很有前途的抗肿瘤药物。

生物3D打印技术再继续发展下去,会到什么程度?

徐铭恩预计:“也许有一天,我们可以用3D打印技术做出人工的、人造的感受器官来,比如眼睛、鼻子。生物3D打印技术也可以帮助脑机接口的科学家研究清楚细胞和芯片之间是怎么传输信号的,可以用大脑直接操控机器。”

对未来,徐铭恩希望自己的团队能通过对生物3D打印技术、医学信息等资源的整合,建立一个以患者为中心的医疗服务体系。

向市场要科研经费

读书时,徐铭恩“一路名校”:在浙江大学拿到药学学士和生物医学工程博士学位,在清华大学机械工程系完成博士后研究,又转赴美国爵硕大学机械系“计算机辅助组织工程实验室”做访问学者。

与同龄人相比,他也是佼佼者:2006年博士毕业的第一年即获得了国家自然科学基金和中国博士后科学基金一等资助,同年又被破格晋升为副教授。

然而,在选择工作机构时,面对包括两所母校在内的多所985高校的延请,他却出人意料地“落户”于浙江的一所省属高校——杭州电子科技大学。

“我相信市场经济,相信最具创新活力的土壤在中小企业中,所以长三角是首选。”徐铭恩说。而在杭州电子科技大学,“学校给我一小片自主空间,允许我静下心来做。”

和背靠大树所带来的资源、经费相比,他更看重的是市场的力量,“人都是有惰性的。经费容易得到,也就容易产生路径依赖”。

在采访中,徐铭恩随口吟诵了美国诗人的一首诗。“黄色的树林里分出两条路,可惜我不能同时去涉足……一片森林里分出两条路,而我却选择了人迹更少的一条……”

他创立捷诺飞,也恰恰选择的是一条“人迹更少”的道路。

长久以来,国家的科研经费被视作“大蛋糕”。如何切?似乎需要靠“跑”,靠“关系”才能分到一杯羹。以至于相当一部分科研人员养成了“跑部钱进”的习惯。

“关于‘Regenovo’的创意,我2012年就有了。”经费怎么来?国家有小仪器专项,申请成功就能得到几百万元的资助,“2012年9月,我们去北京咨询,得知申请很难,通过的概率也低,申请周期也很长。”

怎么办?从北京回来,徐铭恩自寻投资。2012年10月,浙江本地企业有兴趣,经费有了;2013年,“Regenovo”3D打印机研制成功;2013年8月,第一台样机面世了。尔后一年不到的时间里,第二代产品问世。

“创新到一定程度,需要产业化和市场的经验,但产业创新归根结底是离不开基础研究的。”徐铭恩说,做产业的“初心”,是想获取一些经费来支撑自己的基础研究,“我个人对财富的追求并不强烈。但做科研,还是挺花钱的。”

2015年1月7日,科技部在官方网站发布了《关于深化中央财政科技计划(专项、基金等)管理改革的方案》,该方案称,政府将通过撤、并、转等方式,对现有科技计划进行整合。

有人惊呼,“科研经费的钱袋子要大动了”,也有人怀疑,政策再怎么变,结果也是“有人分到一头猪,有人分到一片肉”。分不到的人怎么办?徐铭恩还是那个观点,“找市场,市场最公平,众多企业和社会的创新需求是更广阔的天地”。

“这个时代是需要交叉和合作的时代,我希望通过科研和产业化的平台,促使这些技术更快地投向应用。”徐铭恩说,3D打印的特性决定了其“跨学科性”,其发展需要不同领域的科学家、企业家来合作实现,这是一个开源的时代,“我们只是为大家提供一种帮助,在帮助中肯定会实现我们自己的价值。”

[采访手记]

成就别人的幸福感更持久

高校中一直存在这个问题,很多科研项目做3年,博士毕业就戛然而止,科研和团队的延续性被打断了。如今从产业市场上获得的资金,令徐铭恩感到欣慰的另一点是,能把科研的新生力量保留下来。

“年轻人是中国科学的未来。现在有了产业化的平台,学生毕业后就不用因为专业和职业的不对口而放弃科研,相反,能够一直做下去,逐步完善技术使其更早转化到应用领域。”和科研、创业相比,徐铭恩同样看重自己承担的师职,“关注自己得失,带来的满足感是很短暂的,成就别人带来的幸福感更持久”。

这个感悟来自于2006年。当时是徐铭恩博士毕业的第一年,他获得了国家自然科学基金和中国博士后科学基金一等资助,同年又被破格晋升为副教授。“但我自己没想到的是,兴奋很短暂,迷惘占了上风。”

“人最终的事业动力还是来自于‘见众生’,即使我们这一代人走不到目的地,但是积累下来的经验技术可以帮助下一代人继续前行。”

有学生评价说,徐老师专注基础研究、百折不挠的定力中,实际蕴含着科研工作者洞察社会需求、判断新技术发展方向的自信。

“以兴趣为出发点”是徐铭恩最关注的。“青年应该有理想,不要过度看重短期利益。有些学生的选择着眼于就业,可能短期内会看见成效,但不容易走得长远。”

“中国的未来需要各种有才华的青年。”他给学校的建言很有针对性:人才的评选标准要多样化,除了“成绩优秀、学生工作出色”,学生在科研创新、文化艺术等领域中的突出表现也应纳入视野。

(责任编辑:单刀)
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