仿血管、仿肾脏、人工肝脏……有多少福音生物医学工程带来

懂生物、懂工程

走进生物科学与医学工程学院，副院长周平老师热情地为我们介绍起学科历史来：“国内最早设立这门学科的高校是1978年的西安交大，浙江大学紧随其后，1983年便是我们东大。学科创始人韦钰院士对生物医学工程学科的发展进行了颇具前瞻性的布局，1981年从海外回国后，她就提出发展生物电子学的想法，生物分子电子学的基础研究也随之展开。1985年，国内第一个分子与生物电子学实验室建成，1993年，国内第一个‘生物电子学’博士点创建。这些都使我们的学科发展具备了先天优势。也因此，对生物芯片、分子电子学的研究，东南大学在国内都是最早的。”

“生物医学工程，实际上更多的是发展一些新的材料，新的器件、仪器或者是技术，来解决生命科学的问题。首先得懂生物，知道生物、医学是什么样的，其次要懂得怎样去做工程，这就涉及到物理、化学材料，包括机械、电子、仪器等等各个方面了。”为了让我们深入了解这门学科，周老师邀请来学院多位老师和同学，一起来探讨这门学科的复杂和有趣之处。

仿器官、造仪器

生物医学工程研究的领域挺多。

[器官芯片和单细胞分析]

器官芯片一直以来都是国际前沿和一流研究的“香饽饽”，美国奥巴马的施政方针中就曾有过详细的规划。那么器官芯片究竟有何用处呢？对此，副院长赵祥伟教授向我们解释道：“器官芯片主要用于进行药物实验，降低药物筛选风险，减少对人体的副作用。众所周知，药物在临床使用前需要长时间的动物实验，而我们只取人体的部分细胞模拟器官和系统，在芯片上模拟化学反应，可做出仿血管、仿肾脏等多种材料。”一般来说，一种新药从研发到生产，再到投入临床往往需要十几年甚至更长的时间。很多药物研发失败往往是由于最后不能适用于人体，他们用人的器官和组织代替猴子、猪、狗等动物进行实验，避免了伦理道德问题，也更接近人体实际情况。此外，芯片作为化学反应，出结果的速度远远快于动物，更是大大加快了临床推进的周期。

针对该方向目前的发展，周老师向我们做了细致的描绘：目前，相关团队正针对药物作评估的临床实验，比如以纳米材料为基础做出人工肝脏，在肝脏细胞逐渐成长后放入药物，然后观察肝脏如何代谢、药物对肝脏有哪些损伤等。虽然基础，但学院在该方面的研究已达到国际先进水平，“器官芯片学科创新引智基地”也入选了国家“111计划”（该计划瞄准国际学科发展前沿，以国家重点学科为基础，从世界范围排名前100位的著名大学及研究机构的优势学科队伍中，引进、会聚1000余名优秀人才，形成高水平的研究队伍，建设100个左右世界一流的学科创新引智基地）。

器官芯片的研究前景虽一片光明，但亟待解决的问题也不少：如何预防、干预、后续治疗；人体和病症之间怎样相互作用；药物需要多大剂量才会产生效果等等。博士生王洁告诉我们，人体的每个器官由许多组织构成，组织又可拆解成各种细胞，每个细胞通过三维的方式生长。一旦细胞被拿出体外放在芯片上培养，它就会受到空间的影响而坍塌、拉长，无法保持在体内生长的效果。因此，如何“培养”出一颗健康的立体人工器官，是目前师生们的重点研究内容。

除了器官芯片，学院在生物芯片方面的研究也同样可圈可点。近日，常宁博士带领的科研团队研发出世界领先的光子晶体微球技术，只需将最低50微升的样品放入運用该技术的自动检测仪中，5～10分钟即可一键式完成对肝癌、肺癌、胰腺癌、前列腺癌等多种常见癌症标志物的检测。此外，学院老师还在进行大脑相关的研究，如研究人脑在学习过程中的生物学、医学机制；主攻生物医学大数据，包括人脑活动和脑之外的遗传学、基因、疾病关联信息。

[纳米生物学、生物力学、医学成像]

器官芯片是生物医学工程非常前沿的方向，但它只属于纳米生物材料的一小部分。在生物医学工程领域，纳米生物和生物力学、医学成像可谓是形影不离的“三人行”。纳米生物可应用于医学成像，医学成像能服务于生物力学，生物力学与纳米生物也在多个领域密不可分，三者深度交叉，相互影响。

磁共振是不少疾病确诊的重要“显示屏”，花在它身上的功夫必不可少。“我们的磁性纳米材料可应用于医学影像，从医学院临床的试验对照来看，我们用做出来的磁共振造影剂效果远比目前商用的好，和照片底片一样清晰，能在手术过程中准确地引导医生，这是技术上的一个巨大突破！”周老师自豪地说道。目前，他们已拿到这种材料制备的生产许可批文。

在医院里，CT（电子计算机断层扫描）也是呈现器官影像的重要仪器，但目前医院临床使用的CT体积较大且分辨率有限，对小型个体、局部器官等的成像能力，难以满足科研的需求。罗守华教授研发了一款高分辨率显微CT，为更精细的骨骼力学研究提供了可能。周老师提到：“我们研究骨质疏松问题时，需要观察骨里面的骨小梁，但骨小梁的厚度只有200微米左右，有的地方仅100微米，临床CT分辨率太低，基本无法显示，这时罗教授的显微CT就能大显身手。”事实上，研发出微米级别的设备已十分艰难，罗教授的新仪器却能达到几百纳米的分辨率，这是一个飞跃。有了高精尖设备的加持，罗教授团队与众多高校、院所进行了合作，如与南京农业大学食品安全方向的项目合作，利用显微CT进行食品安全的检测。

这三个研究方向交叉性强的特点，在具体应用时体现得最充分。比如探究骨质疏松的程度时，需要运用影像学、生物力学和物理学的知识；如果对骨进行治疗，则有可能涉及纳米生物学和生物力学的内容；若进行髋关节置换、骨关节置换手术等，纳米生物学又可大显身手。如今，医生们对骨质疏松的诊断不太精确，时常出现误诊：手术后，骨植入物的生长与人体的匹配效果不佳，可能会脱落或导致较为恶劣的副反应。霍梦科同学是钻研骨模型的一把好手，提到自己擅长的生物力学方面，他神采飞扬：“基于这些问题，我首先要建立骨模型，其次从力学或营养学角度进行总体分析。其中还涉及到力学模拟、图像学的特征采集等内容，这是个很复杂的工作。”

[基因测序和生物信息学]

除了显微CT，学院里还有一台“镇院之宝”——高通量DNA测序仪。基因测序技术被看作自疫苗问世以来疾病预防最重要的科技突破，它不仅可以大大降低遗传相关的疾病发生率，减少出生缺陷，还可以实现对疾病预测、预防、预警以及个体化诊疗。

徐春祥教授向我们介绍道，基因测序分析仪，是学院从科学基础研究到技术实现的最好体现。学院研发出来的仪器，如今在世界最大的基因测序公司华大基因运行。以这个机器为基础，研究团队参与了许多有重大影响的基因序列分析。现在，他们主要在做第三代的单分子测序技术，“美国不少大学都在用我们开发的平台做基因的预测。”

[移动医疗]

东大生物医学工程学院的科研不仅遍及普通医院的医疗，就连航天领域也有“涉足”。天宫一号中测量宇航员尿液的便携式传感器，便是学院的科研团队做的。这个便携式传感器可以通过生物芯片监控宇航员尿液中的三硝基苯胺含量，监测他们在宇宙中的喜怒哀乐等情绪，再由天宫一号传回地面，为航天实验提供了直观又准确的参考数据。周老师笑道：“说白了，医学电子就是做仪器，把方法变成实体。”将科研成功转化成实体设备是产学研环节中的重要一环，医学电子学是“必经之路”，移动医疗就是“终极理想”。

学院里还有位年轻教师，正计划制作一台采集生物医学信息的小型便携式仪器——能在专家不在场的环境下（如家中）得到较为准确的生物医学数据。采集完数据后，还可通过网络联系到具体的医生专家系统。“如果测出的血压、心跳、脉搏，甚至血糖、尿液信号不正常，这台仪器就会报警，医生和专家系统也同时能够得知，并提出干预方案。”周老师告诉我们，目前全球都在加紧研究这类仪器，国家也在积极倡导，东大已将此列入进一步建设“双一流”的规划之中。

培养，非“用”

为培养出生物医学工程领域的领军人才和复合型人才，东南大学生物科学与医学工程学院有着超前的培养理念。从之前本科生毕业时仅可获工学学位，到后来可获医工双学位，再到目前学院实行的国内该专业唯一的七年一贯制培养方式，学院逐渐形成了一套完善的人才培养体系。

学院非常重视基础课程，物理、化学、计算机、电子等科目自然不必说，每位同学还必须学习“传说中”最难的数学——工科数字分析。与此同时，学院还“两手抓”，鼓励学生尽早开展学科研究。“从大二开始，学校和学院都会设立科研项目，鼓励同学们根据自身方向和兴趣选择，尽早确立自己的研究方向。”

在学生的培养过程中，老师们重点培养的是学生解决问题的能力，采用了“培养”而不是“用”的思路，注重让学生有自己的想法，尽可能不依赖老师取得更大的成就。“我可以告诉你怎么做实验，但只会告诉你基本步骤，至于每次加多少毫升，先后加什么等具体内容，就要你自己来设计。”周老师强调，让学生知道“我该怎么做”，是学院最注重培养的能力，贯穿在学生学习、科研、毕设等各方面。

周老师以霍梦科同学为例：“他的研究首先要把骨模型抽象成物理理论，然后变成数学问题，再用一个完整严谨的数学模型去表述机理和设计方案，接着做实验、分析结果，再反馈结论是否正确。整个过程中涉及的理论、实验设计和具体制作，如果不清楚自己要什么，以及如何实现，研究一定是做不下去的。”霍同学说：“目前，我做的是将CT中采集骨数据的图像进行提取分析，然后做出诊断及术后分析。如老师所说，整个模型就是在不断实验、不断修改、不断更正之前的猜想中成型的。研究问题首先提出的是猜想，这个是最主要的，接着还要反复设计实验模拟验證。现在，我已经有了整个模型框架以及大概推导的公式。”

王洁同学介绍道：“我主要的工作是细胞的三维培养，弄清细胞与细胞、细胞与外界相互作用的条件，让它在体外长成和体内一样的立体形态。理论上的匹配条件不难，但这其中的具体操作非常复杂，尤其是环境因素不易控制，我只能努力钻研和探索，想想我该怎么做才能让它们越来越接近真实的人体器官，而不是一味求助导师。”

具备了初步解决专业问题的能力后，学院鼓励学生在学科的前沿研究中发挥作用。如今已成为教授的杨芳开展“气泡大业”便是其中典型。她通过一种纳米颗粒的聚合物微气泡造影剂，实现了超声诊断和磁共振成像双重显影的增强效果，再通过对二者图像的联合分析，获取更多相关的结构和功能信息，以达到对疾病的早期、准确诊断。对于这种创新方法，周老师充满赞赏：“虽然这种方法目前还未应用于临床，但今后可以将它用于精准医疗，从新角度观察癌症病状。”

同学问同舟共济的合作更为啃下科研“硬骨头”注入了强大动力。在研究过程中，王鹏和霍梦科互为对方的技术支持。王鹏主要研究精纳米科技膜的电学性质及辐射性质，而霍梦科的任务之一就是把纳米膜做成需要的形状填充在骨头内，通过骨修复过程中的信号变化观察骨头的长势。在此过程中，两人可互助论证对方的理论正确与否，使研究一步步深入下去。

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