3D打印 生物醫(yī)療界的新星

馬玲

2016年8月12日下午，在重慶大學(xué)虎溪校區(qū)理科樓物理學(xué)院7樓的會(huì)議室內(nèi)，來自全國各領(lǐng)域的創(chuàng)新專家學(xué)者齊聚一堂，“新形勢下的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)融合”研討會(huì)在這里隆重舉辦，重慶大學(xué)物理學(xué)院劉如川教授也應(yīng)邀參加。會(huì)上，除了就人才引進(jìn)相關(guān)政策進(jìn)行熱烈討論，就千人計(jì)劃海創(chuàng)智庫與重慶市科協(xié)海智庫如何合作，在科技成果轉(zhuǎn)化與市場開發(fā)結(jié)合，以科技帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，響應(yīng)全國科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大潮等系列問題進(jìn)行了深入細(xì)致的探討。參會(huì)人員還參觀了重慶大學(xué)物理學(xué)院部分實(shí)驗(yàn)室，期間，劉如川教授就一些典型的項(xiàng)目進(jìn)行講解。比如個(gè)性化的3D打印，可利用醫(yī)院影像三維重構(gòu)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臨床診斷及有紀(jì)念價(jià)值的高端定制產(chǎn)品，得到與會(huì)專家的一致贊譽(yù)。

贊譽(yù)，除了因?yàn)閯⑷绱ń淌趯?D生物打印技術(shù)詳盡而獨(dú)到的見解，更因?yàn)檫@位年輕學(xué)者身上所散發(fā)出的對科研矢志不渝的決心和態(tài)度。

不拘一格，海納百川

畢業(yè)于中國科技大學(xué)材料物理專業(yè)的劉如川，對知識有著與生俱來的渴望，并且總是喜歡挑戰(zhàn)不同的領(lǐng)域，諸如，在哥倫比亞大學(xué)攻讀博士期間，他從化學(xué)角度進(jìn)一步研究了納米材料、分子器件技術(shù)；在美國太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室做博士后研究期間，曾研究鈣調(diào)蛋白與多肽鏈相互作用；之后，他還曾在哥倫比亞大學(xué)生物系研究單分子力學(xué)，用磁鑷子和熒光技術(shù)追蹤蛋白質(zhì)折疊的過程；在新加坡國立大學(xué)做助理教授，進(jìn)行蛋白質(zhì)單分子力譜及熒光跟蹤研究。另外，他還先后在國際知名SCI 檢索的雜志上發(fā)表論文30余篇，受到國內(nèi)外其他學(xué)者的廣泛關(guān)注，被引用1 100 多次。可以說，除了學(xué)貫中西，跨學(xué)科也已經(jīng)成為他生命中繞不開的話題。

2013年，劉如川做出了人生中最鄭重的選擇，回到祖國，科研報(bào)國，并作為“重慶市引進(jìn)高層次人才”來到重慶大學(xué)物理學(xué)院。在學(xué)校的大力支持下，他先后展開了材料中的光電轉(zhuǎn)換過程以及太陽能電池研究，并在納米水平觀察電荷的分離，研究微觀機(jī)制。作為太陽能電池材料，關(guān)鍵的是如何提高光伏轉(zhuǎn)換效率。目前劉教授正在進(jìn)行太陽能電池有機(jī)無機(jī)混合材料的電荷分離轉(zhuǎn)移機(jī)制及性能提高的研究，從微觀尺度上去探尋其轉(zhuǎn)換效率的瓶頸，為最終提高其效率指明方向。

另外，劉如川教授還加入了由學(xué)院院長組織的科研團(tuán)隊(duì)中，開展了3D生物打印技術(shù)的研究，并將主要研究方向定位為：生物復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、改進(jìn)與應(yīng)用，納米/分子器件與太陽能電池材料，細(xì)胞內(nèi)信號發(fā)生過程及蛋白質(zhì)間的相互作用，及相關(guān)的理論計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬。希望能夠借此為我國的健康事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

3D打印，醫(yī)界新星

2013 年仿佛是劉如川教授的收獲之年，除了回國得到國家的重用，他還在這一年獲得國家發(fā)明專利（ZL 201310236507.2）——光激活單分子熒光生物化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)顯微鏡及試驗(yàn)方法。為鉆研外界的力信號如何影響著細(xì)胞的生存，劉教授利用單分子技術(shù)跟蹤踝蛋白在拉伸下與粘著斑蛋白的結(jié)合，從物理的角度觀察到了不同信號間傳遞的方式，一系列實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種普遍存在于生物系統(tǒng)中傳遞力學(xué)信號的方法：力學(xué)信號可以改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以激活相應(yīng)的生物信號的傳遞。這一課題在生物、物理、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域都具有深遠(yuǎn)的研究意義。

在此基礎(chǔ)上，劉如川教授敏銳洞察到，3D生物打印技術(shù)將是精準(zhǔn)醫(yī)療得以實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)有力工具，將為醫(yī)學(xué)科技的發(fā)展提供更有力的支撐。因?yàn)槟壳鞍┘?xì)胞及其實(shí)病變細(xì)胞的培養(yǎng)均處用培養(yǎng)皿（二維環(huán)境），體現(xiàn)不出癌細(xì)胞在人環(huán)境的真實(shí)三維狀態(tài)。而3D生物打印技術(shù)可以模擬出一個(gè)更接近真實(shí)的環(huán)境模型，從而提高篩藥效果。另外，在組織修復(fù)等方面3-D生物打印技術(shù)也大有用途。

在針對3D生物打印技術(shù)進(jìn)行科研的過程中，劉如川教授發(fā)現(xiàn)，組織/器官中所需血管的打印是難度最大的。目前，3D生物打印是先打出結(jié)構(gòu)，再注入細(xì)胞，而ITOP可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞合并材料的同時(shí)打印，并保證了細(xì)胞的存活性。這樣的話，整個(gè)結(jié)構(gòu)就成為一個(gè)動(dòng)態(tài)的活性結(jié)構(gòu)，細(xì)胞會(huì)在里面不停地生長，并最終發(fā)展成我們所設(shè)計(jì)的器官或組織的樣子，這是一個(gè)很大的突破。

ITOP利用構(gòu)造出的微管道來為細(xì)胞存活提供必需的養(yǎng)分，并從臨床上證明了其打印出來的結(jié)構(gòu)具備生物兼容性，不會(huì)有排異反應(yīng)，這是一個(gè)令人振奮的成果。不僅如此，利用已有成像技術(shù)3D掃描形成打印所需數(shù)字模板、多噴頭協(xié)同工作、利用不同打印方式和培養(yǎng)環(huán)境來控制細(xì)胞分化和組織，這些都是ITOP對比現(xiàn)有3D生物打印所具備的強(qiáng)勁特色。在中國科學(xué)院物理研究所—重慶大學(xué)生物3-D打印聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人劉靂宇看來，ITOP最突出的優(yōu)勢就是集中整個(gè)打印過程于一體，實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞與骨架的同時(shí)打印。盡管ITOP的優(yōu)勢特點(diǎn)十分明顯，劉如川教授表示，ITOP只是嘗試了幾類組織/器官的打印，雖然在一定程度上利用了細(xì)胞自發(fā)行為，并知道這幾類組織/器官3D打印及后續(xù)培養(yǎng)條件，但沒有完全掌控其中的細(xì)胞分化或組織機(jī)制，對于其他組織/器官仍需大量實(shí)驗(yàn)摸索條件。另外，ITOP只是打印出了一些微通道，并沒有涉及到組織/器官中所需的血管的打印，離真正意義上的血管/毛細(xì)血管還有艱難的一大步要走。

“血管有很多功能，第一要有彈性，第二能夠交換很多營養(yǎng)和物質(zhì)，所以血管打印是一個(gè)難點(diǎn)。其他的研究學(xué)術(shù)中雖然粗淺地提到有血管生成，但是不是水凝膠材料能夠誘導(dǎo)血管生長，目前并不確定?！眲⒔淌谌缡钦f。他還表示，ITOP還沒有涉及到心臟（及其他循環(huán)系統(tǒng)中的組織）、大腦（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、呼吸系統(tǒng)中的肺泡等，所有這些都與管道、網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，也是3D生物打印的終極目標(biāo)，ITOP要想摘得3D生物打印的“皇冠”還很困難。對于劉教授的科研觀點(diǎn)，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副理事長周功耀對此也給予支持。

“聰者聽于無聲，明者見于未形?！笨萍紕?chuàng)新永無止境。科技競爭就像短道速滑，我們在加速，人家也在加速，最后要看誰速度更快、誰的速度更能持續(xù)。在3D生物打印技術(shù)這場競逐中，劉如川教授將矢志不渝的肩負(fù)起“領(lǐng)頭羊”的責(zé)任，在攻堅(jiān)克難中追求卓越，勇于創(chuàng)造引領(lǐng)世界潮流的科技成果。