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徐铭恩:生物3D打印技术的“领跑者”     王晓红    2021年03月26日10:45

 

5月30日,第四个全国科技工作者日,人力资源社会保障部、中国科协、科技部、国务院国资委联合颁发了第二届全国创新争先奖,民革浙江省委会副主委、杭州捷诺飞生物科技股份有限公司董事长、杭州电子科技大学教授徐铭恩荣获第二届全国创新争先奖。这次表彰,是对徐铭恩及其团队多年来在生物3D打印领域研究与产业化的工作给予的高规格肯定。

 “全国创新争先奖”是仅次于国家最高科技奖的一个科技人才大奖,主要表彰在科学研究、技术开发、重大装备和工程攻关、转化创业、科普及社会服务方面作出卓越贡献、在国内外具有影响力的优秀科技工作者和优秀科研团队。

  “3D打印”是近年来最“火热”的词汇,徐铭恩已在生物3D打印领域中摸爬滚打了整整16年,从用3D打印技术成功打印活细胞构建人体组织、研制出可打印生物材料和活细胞的商品级生物3D打印机、发布我国首台面向医疗应用的高通量集成化生物3D打印机、到作为首席科学家主持“国家重点研发计划”研发第一代3D打印器官芯片产品Organ Tria,他已取得了一系列显著的研究和应用成果,并入选国家万人计划、科技部创新人才推进计划、浙江省万人计划等。

“定情”生物3D打印技术

 徐铭恩出身医学世家。1995年考入浙江大学,从本科到博士毕业,他跨越了药学、生物医学工程、材料、仪器等不同专业领域。2004年,3D打印引起徐铭恩的强烈兴趣,他的跨学科背景恰好成为跨入生物3D打印研究的优势。2005年,他申请到清华大学机械系生物制造研究所做3D生物打印相关研究的博士后,从此,便“定情”3D生物打印技术。

  专业转换的背后,徐铭恩有一个长长的心路历程。读高中时,受家人职业的影响,徐铭恩瞄准了自己考大学的专业目标——医学,“当时就想着开发出新药物来治病”;大学念了医学专业,发现研制新药物代价、难度极高,而医疗价值不确定性很强。于是就在研究生攻读生物工程学,决心用新技术来解决药物无法治疗的疾病。在博士毕业之时,徐铭恩开始接触3D打印(当时称快速成型),并产生浓厚兴趣。敏锐的技术嗅觉,让他预感到这个技术如果成功运用于医学,会给患者带来福音。

 “如何让3D打印机打印出来的细胞存活下来”是徐铭恩在博士后时期碰到的第一头“拦路虎”。已经记不清失败的次数,说人到了“崩溃的边缘”也不夸张。终于,在2006年夏天,徐铭恩意外发现自己用脂肪干细胞打印出来的一块组织不但存活,而且保留了完美的组织结构。“从那一刻起,我终于觉得自己做的事情不再是天方夜谭。”欣喜之余,他还和同伴尝试油煎了这块“人造脂肪”,甚至品尝了它的味道。同年,徐铭恩获得国家自然基金的支持,并被破格晋升为副教授。

  2012年徐铭恩和团队在这一领域的工作被国际期刊《Biomaterials》评价为“生物3D打印领域最先进水平”。

产业化推动基础研究

  在徐铭恩的实验室里,放着已经打印好的肝、肺、耳朵等模型。“这些都是Regenovo打印出来的”,徐铭恩介绍说。“Regenovo”就是徐铭恩团队研制的生物3D打印机的名字,诞生于2013年,它的出现意味着其他生物医学研究的科学家也有了更稳定的工作平台。

  这台打印机不仅实现了无菌条件下的生物材料和细胞的3D打印,而且新型的温控单元和打印喷头设计,能够支持从-5℃到260℃熔融的多种生物材料打印,已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。“这中间的过程并非一帆风顺,研究初期,打印出来的细胞死亡率很高,约90%的细胞都无法存活,后来细胞存活率大幅度提高了,但打印出来的结构又坚持不了一个星期,只能不断摸索,一个问题一个问题去死磕它,去解决它。”徐铭恩说。

  尽管Regenovo“武艺”高超,但徐铭恩坦言,真要按需打印活体器官还有一段漫漫长路,但他已经做好了充分的准备。

  科研工作中时常会遭遇“资金短缺”,徐铭恩也不例外,2009年实验室的工作曾一度难以为继。2013年,徐铭恩成立了杭州捷诺飞生物科技股份有限公司,把在研究生物3D打印技术的路途中积累下来的部分技术产业化,团队摆脱了资金短缺的困窘。“产学研结合是科技发展的大势所趋,成立公司的目的除了推动科研成果尽快转化应用,也能反过来推动基础研究。”

  喷头的制作、打印原料的选取、图纸的设计,每一项都不是轻而易举能够攻克的。一路困难相伴,一路闯关克服,徐铭恩很是淡定从容。

  回忆起当时培育细胞(作为打印原料的细胞)的经历,徐铭恩颇有些感慨。当时还没有成熟的研发团队,徐铭恩靠自己一个人来干。为了获取存活率高的细胞,从早到晚最少要做三次实验。每次试验完,过几个小时还要总结;发现不对就再做、再总结。“实验报告都写了厚厚的好几本。”为了有所对比,徐铭恩还加大了试验的强度,一组12个细胞进行对比,发现哪一个与其他的不一样,就拼命回忆,拼命地查记录,把这个偶然的东西转化成有规律的东西。做实验的这段时间,徐铭恩最常感受到的就是“一抬眼天就黑了”!

  2017年,以徐铭恩为首的科学家团队发布了我国首台高通量集成化生物3D打印机。“这台紧扣临床转化和应用需求的生物打印机代表了我国生物3D打印设备的顶尖水平。”国家重点研发计划项目专家组如此评价,意味着我国相关领域的研究水平实现了从与国际先进水平“并跑”到“领跑”的跨越。更令人值得高兴的是,该领域的一些科学家在使用了徐铭恩团队研发的生物3D打印机后,做出了很多有价值的科学研究成果。

培育“中国科学的未来”

 徐铭恩始终有个信念,要用科技创新为中国生物医药中小企业的转型升级贡献自己的力量,具体行动就落实在筹建清华大学&杭州电子科技大学“生物制造研究中心”。

  多年努力后,生物制造研究中心从无到有,逐步构建了由生物材料和细胞三维打印平台、生物芯片制造平台、移植医学器械开发平台等构成的先进研究平台,形成了一个多学科的研究团队,入选浙江省重中之重学科重点培育方向。

  在研究中心里,徐铭恩和学生、以及其他老师组成了一个专门做生物3D打印研发的团队,除了每天必要的实验、检查,他又增加了新的工作——带好这群有创造力的“中国科学的未来”。

  学生们对徐老师最大的印象就是“特别注重激发每个人的创造力”。而徐铭恩自己也说:“我希望大家是真心喜欢干这个!”

  徐铭恩对培养学生有一套自己的理念。他对学生“颇为严苛”,要求学生在学习和实验中回归自我,有独立的思考。“我不希望学生习惯性地跟着老师走;最好是学生在一个阶段后能过来跟我聊问题、聊自己的想法和点子,我再来帮他完善。这样或许起点有些低,但最终能帮助他们取得更大的进步。”“很多事情按照原初的路子来走,好像是傻了一点,但回过头看,却是走得最踏实、最稳健的。”徐铭恩补充到。

  徐铭恩在学生中非常受欢迎。他讲授的“生命科学导论课”连续多年被学生评为最好的公选课之一。“能幸运地选上这门课实在不容易,太多人选了。”徐铭恩的一个研究生说,“住我隔壁寝室的同学选修了‘生命科学导论课’后,因为太好听,第二年又去旁听了一遍。”能将一门课上得如此“出神入化”,这与徐铭恩广泛的兴趣和多学科背景密不可分。

  “生物3D打印研究也确实要求较复杂的学科背景。如果对别的学科不了解,很多问题就僵在那里动不了;都有所接触后,就可以多角度、多层次地想问题,有的时候可以随手拿来。”因为这样,他也有意识地引导学生拓宽学科背景,以便将来能够慢慢地独立承担起这个方向的研究工作。

  徐铭恩团队的研究工作踏上正轨后,犹如一辆高速行驶的列车,几乎每年都能传来好消息。2019年,徐铭恩担任了国家自然科学基金委“国家重大科研仪器研制”项目的首席科学家,进一步提出高保真打印技术,推出首台全自动生物3D打印机,推出国际首个大规模生产应用的3D打印皮肤,成功应用于新药筛选、化妆品毒理与功效等检测。

  谈起跨入“3D生物打印”领域的初心,其实是来源于一场刻骨铭心的分离——曾养育过徐铭恩的亲人在医院用尽最好的技术,还是在眼前渐渐逝去。“活着是一件很美好的事情,所以我要做一个技术能让家人、让很多不认识的人,可以活得更健康一些,活得更长一些。”■

 (王晓红,民革浙江省委会宣传部副部长/责编 张栋)

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