致生物仿生 攀正畸高峰
——記北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科研究員劉燕

衛(wèi)婷婷

劉燕

從展翅翱翔的飛鳥，到深海游弋的魚群，自然界的多姿多彩，讓生命更加蓬勃，更加充滿活力。人類可以從這些自然界的生靈中汲取“養(yǎng)分”，促進(jìn)科技進(jìn)步，這種法寶就是“仿生技術(shù)”。科學(xué)家從螢火蟲發(fā)光器具有的奇特結(jié)構(gòu)中獲得靈感，通過合成熒光素和熒光酶制造出生物燈具，并廣泛應(yīng)用在不能利用電源的危險(xiǎn)環(huán)境中。科學(xué)家還通過研究蝴蝶的翅膀結(jié)構(gòu)，將手機(jī)的顯示屏表面做成了蝴蝶翅膀的微觀晶體狀結(jié)構(gòu)，這樣即使在太陽高照之下，也不會(huì)影響手機(jī)閱讀。

而除了動(dòng)物，仿生技術(shù)也可以仿生人類。通過制造仿生器官，殘障人士可以變得“正?！?，而穿上仿生設(shè)備，普通人也可秒變“超人”。這些聽起來可能會(huì)帶有濃厚的科幻色彩，但其實(shí)仿生技術(shù)離我們一點(diǎn)也不遙遠(yuǎn)，而且早已走進(jìn)我們的生活，生物礦化及生物仿生便是其中一種。在自然界中，生物體早就可以通過生物礦化制備出具有多級(jí)有序結(jié)構(gòu)的功能材料，如珍珠、骨骼、貝殼等。該技術(shù)不但在電子制造、國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，還為人們的生活提供了更多的可能性，如利用生物礦化及仿生技術(shù)制成的血管、人造心臟、人造骨、人造皮膚等，為無數(shù)患者帶來生的希望。

北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科研究員劉燕也對(duì)生物礦化及生物仿生納米材料的制備進(jìn)行了研究，她先后將重點(diǎn)放在牙骨礦化機(jī)理以及生物仿生納米材料的實(shí)際應(yīng)用上。目前，她正竭力對(duì)生物仿生納米材料的臨床轉(zhuǎn)化進(jìn)行更加深入的探索，盡管要走的路還很長，但她已然做好萬全準(zhǔn)備，隨時(shí)迎接科學(xué)的挑戰(zhàn)。

不斷探索 求口腔治療新突破

劉燕的叔叔是我國口腔領(lǐng)域的知名專家，從小劉燕就在叔叔的影響下，對(duì)口腔知識(shí)有了廣泛了解，也正是在這樣的熏陶下，“科研”兩個(gè)字很早就在劉燕的心里扎了根，也深刻地印在了頭腦里。對(duì)劉燕來說，走上科研這條路也許是必然的選擇。

2006年，劉燕進(jìn)入華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院，進(jìn)行碩博連讀。期間，她作為聯(lián)合培養(yǎng)博士，于2009年前往美國佐治亞醫(yī)學(xué)院牙學(xué)院繼續(xù)科研之路，她對(duì)生物礦化機(jī)理及生物仿生納米材料在口腔疾病中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的探索。

盡管剛剛到美國一切都還沒有完全適應(yīng)，但劉燕的身心早已撲在了科研上。在導(dǎo)師Franklin R.Tay教授的指導(dǎo)與劉燕緊鑼密鼓的研究計(jì)劃下，她僅僅用了短短一年時(shí)間，便于2010年首次在國際上合成了具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單纖維礦化膠原；更在畢業(yè)前，以第一作者身份在Advanced Materials、Biomaterials及Acta Biomaterialia等國際頂尖材料雜志上發(fā)表了8篇高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章。

不管身在哪，走多遠(yuǎn)，劉燕都想用所學(xué)所想更好地回報(bào)祖國。2011年博士畢業(yè)后，劉燕回國來到北京大學(xué)口腔醫(yī)院正畸科進(jìn)行了兩年的博士后深造，在周彥恒教授的指導(dǎo)下，她開始逐漸將研究重點(diǎn)從基礎(chǔ)理論方面轉(zhuǎn)向生物仿生納米材料在組織工程中的應(yīng)用研究。

談到剛來到北京大學(xué)口腔醫(yī)院時(shí)的情景，劉燕仍記憶猶新。“那時(shí)我們正畸科實(shí)驗(yàn)室還沒建立，很多研究都無從下手，對(duì)我來說一切都是從零開始?！眲⒀嗾f道。為了能夠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，劉燕只能到處“借”實(shí)驗(yàn)室，在其他科研人員使用完畢后才利用空隙時(shí)間使用儀器。那時(shí)，因?yàn)檠芯啃枰?，劉燕常常凌?點(diǎn)就要起床前往實(shí)驗(yàn)檢測中心，做完實(shí)驗(yàn)后又要馬不停蹄地迎著朝陽趕往北京大學(xué)口腔醫(yī)院上班。

在這期間，劉燕對(duì)研究方向進(jìn)行了擴(kuò)展。起初，她主要針對(duì)牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的礦化進(jìn)行研究。她提到，究其本質(zhì)，牙齒其實(shí)是一種堅(jiān)硬的礦化組織，在牙齒矯正過程中，很多患者的牙齒上會(huì)留有一圈白色痕跡，這就是牙齒脫鈣現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谘例X矯正過程中，牙齒會(huì)因被酸蝕而失去原有的礦物質(zhì)，而在得不到正常補(bǔ)給的情況下，便會(huì)留有白色痕跡?！把例X脫鈣往往是早期齲齒的第一步，因此對(duì)牙釉質(zhì)和牙本質(zhì)的礦化研究很有必要?！眲⒀啾硎?。

后來在此基礎(chǔ)上，劉燕將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向牙骨。牙齒與口腔內(nèi)的骨有著異曲同工之妙，其本質(zhì)都是礦化組織，她在經(jīng)過系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行正畸治療中，若想要移動(dòng)牙齒，常會(huì)與骨頭發(fā)生“沖突”，因此牙與骨是需要相互配合的，這同樣也是正畸的重要原理。

十年寒窗磨一劍，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)的劉燕，頭腦里有很多“奇思妙想”亟待付諸實(shí)踐，她也迫切想要利用生物礦化技術(shù)為口腔疾病治療打開一扇新的大門。

腳踏實(shí)地 助口腔疾病臨床研究

“做科研的最終目的是什么？還是要使研究成果能夠用于臨床治療，切實(shí)服務(wù)更多的人?！眲⒀嗾f道，她也在為這個(gè)目標(biāo)不斷努力著。

據(jù)劉燕介紹，由于腫瘤或發(fā)育異常、外傷等多種原因造成的顱面部大面積骨缺損，會(huì)給患者在生活質(zhì)量或心理健康方面帶來很大的負(fù)面影響。不僅是她所在的課題組，在整個(gè)口腔研究領(lǐng)域，如何高效實(shí)現(xiàn)頜面部的骨再生是急需突破的研究瓶頸。經(jīng)過仔細(xì)研究決定從微納米水平入手，對(duì)天然骨組織的各級(jí)結(jié)構(gòu)及胚胎發(fā)育進(jìn)行仿生模擬，以便為宿主細(xì)胞提供類似天然的微環(huán)境。為此，課題組通過理論計(jì)算與熱動(dòng)力學(xué)控制，最終體外重組了天然骨的多級(jí)結(jié)構(gòu)，這種仿生合成的支架材料具有天然骨樣的應(yīng)力分散能力及降解速率，且能調(diào)節(jié)免疫微環(huán)境并促進(jìn)宿主細(xì)胞的招募，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)源性骨再生。相關(guān)成果發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊如Advanced Materials，Advanced Functional Materials,ACS Nano等，簡化了傳統(tǒng)組織工程三大要素，僅需單一支架材料或干細(xì)胞來源即可獲得與自體移植骨類似的骨再生效率，且將骨再生效率提高到傳統(tǒng)支架材料的3倍，并突破了骨缺損中心血管化技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了功能骨的再生。研究成果受到權(quán)威期刊（如自然材料）的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為是生物礦化和組織工程的最好的例子之一，并被知名科技媒體（Advanced Science News, Materials Views等）廣泛報(bào)道，首次合成細(xì)胞礦化微球是一種有效的骨組織工程再生療法。

目前，劉燕團(tuán)隊(duì)正通過改進(jìn)材料的理化及生物功能以適應(yīng)臨床不同類型組織缺損修復(fù)，如感染性骨缺損、牙周復(fù)合組織缺損等, 希望這種仿生材料能應(yīng)盡早用于臨床，解決目前植入材料進(jìn)口依賴價(jià)格昂貴等問題，造福廣大患者。

獨(dú)具一格 傾心培育科研人才

從本科、碩士、博士再到博士后，一路走來，劉燕已經(jīng)非常明白學(xué)生最需要的是什么，也相繼取得諸多收獲。目前，她已經(jīng)入選2019年國家“萬人計(jì)劃”青年拔尖人才、2018年科技部中青年領(lǐng)軍人才、北京市科技新星、第一屆全國口腔優(yōu)秀青年、國際口腔杰出青年學(xué)者一等獎(jiǎng)及世界華人青年研究學(xué)者一等獎(jiǎng)等榮譽(yù)。

除了科研遍地開花，劉燕也不忘記自己的另一份職責(zé)。采訪中，她不僅一次表示，在美國研究期間Franklin R.Tay教授自由而又不失嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)風(fēng)格，以及回國后北京大學(xué)口腔醫(yī)院周彥恒教授認(rèn)真負(fù)責(zé)、永遠(yuǎn)充滿活力的科研作風(fēng)，都對(duì)她產(chǎn)生了深刻影響，久而久之她自己也對(duì)培養(yǎng)學(xué)生有了獨(dú)到的理念。

作為一名研究生導(dǎo)師，劉燕認(rèn)為首先應(yīng)該幫助學(xué)生形成正確的科研思維。與培養(yǎng)技術(shù)員不同，研究生的培養(yǎng)要更加靈活，有時(shí)甚至可以說不是老師引導(dǎo)學(xué)生，而是學(xué)生自主找到適合自己的研究方向。

每每在研究生面試時(shí)，劉燕都會(huì)通過面試先對(duì)學(xué)生的科研思維有一個(gè)初步的了解，以便找到適合學(xué)生的研究方法。例如，如果學(xué)生主動(dòng)性思維活躍，善于探索，劉燕一般不會(huì)特別指明學(xué)生的研究方向，而是讓其自己做選擇?！爸灰怯袃r(jià)值、有意義的研究方向，哪怕當(dāng)時(shí)看起來是不可能完成的事，我也會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生去嘗試?！眲⒀啾硎尽６诖_定研究方向后，劉燕也總是不按套路出牌。她認(rèn)為，如果按照常規(guī)的研究方法，很可能將學(xué)生固定在一個(gè)框架內(nèi)，這樣一來，思維不能發(fā)散，研究就難以找到突破口?！爱?dāng)然也不完全是天馬行空，一定要在正確研究思路的基礎(chǔ)上再去發(fā)散性地開腦洞?！眲⒀嘌a(bǔ)充道。

付出就會(huì)有收獲。截至目前，劉燕已經(jīng)培養(yǎng)了碩士及博士生6名，學(xué)生獲得“北京大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文”“北京大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)生”“北京大學(xué)優(yōu)秀科研獎(jiǎng)”等，并多次獲得“國家獎(jiǎng)學(xué)金”。劉燕對(duì)科研和教學(xué)可以用“狂熱”來形容，無論何時(shí)何地，無論她在干什么，只要學(xué)生有需要，她都會(huì)第一時(shí)間出現(xiàn)，為學(xué)生答疑解惑。而當(dāng)學(xué)生在研究上出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，她也不會(huì)輕易否定，而是先在鼓勵(lì)與支持的基礎(chǔ)上，循序漸進(jìn)地為學(xué)生找到問題源頭，再進(jìn)行突破?，F(xiàn)如今，劉燕的團(tuán)隊(duì)大約有十幾位成員，每個(gè)成員都找到了自己所擅長的研究方向。多年來，團(tuán)隊(duì)運(yùn)作模式靈活，合作融洽，能夠在這樣一個(gè)團(tuán)隊(duì)中工作，劉燕深感幸運(yùn)。

未來，劉燕只求能在生物礦化及生物仿生納米材料的制備這片神奇的土地上，繼續(xù)縱橫馳騁，追逐簡單自在的科學(xué)快樂。