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微升的样品放入运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。”

文章来源：《血管与腔内血管外科杂志》 网址: http://www.xgyqnxgwkzz.cn/qikandaodu/2021/0508/658.html