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2020-01-02 10:30:18 来源: 大众网 作者:

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  刘燕

  大众网·海报新闻济南1月2日讯  从展翅翱翔的飞鸟,澳门盈丰手机APP:到深海游弋的鱼群,自然界的多姿多彩,让生命更加蓬勃,更加充满活力。人类可以从这些自然界的生灵中汲取“养分”,促进科技进步,这种法宝就是“仿生技术”。科学家从萤火虫发光器具有的奇特结构中获得灵感,通过合成荧光素和荧光酶制造出生物灯具,并广泛应用在不能利用电源的危险环境中。科学家还通过研究蝴蝶的翅膀结构,将手机的显示屏表面做成了蝴蝶翅膀的微观晶体状结构,这样即使在太阳高照之下,也不会影响手机阅读。

  而除了动物,仿生技术也可以仿生人类。通过制造仿生器官,残障人士可以变得“正常”,而穿上仿生设备,普通人也可秒变“超人”。这些听起来可能会带有浓厚的科幻色彩,但其实仿生技术离我们一点也不遥远,而且早已走进我们的生活,生物矿化及生物仿生便是其中一种。在自然界中,生物体早就可以通过生物矿化制备出具有多级有序结构的功能材料,如珍珠、骨骼、贝壳等。该技术不但在电子制造、国防安全等领域发挥着重要作用,还为人们的生活提供了更多的可能性,如利用生物矿化及仿生技术制成的血管、人造心脏、人造骨、人造皮肤等,为无数患者带来生的希望。

  北京大学口腔医院正畸科研究员刘燕也对生物矿化及生物仿生纳米材料的制备进行了研究,她先后将重点放在牙骨矿化机理以及生物仿生纳米材料的实际应用上。目前,她正竭力对生物仿生纳米材料的临床转化进行更加深入的探索,尽管要走的路还很长,但她已然做好万全准备,随时迎接科学的挑战。

  不断探索求口腔治疗新突破

  刘燕的叔叔是我国口腔领域的知名专家,从小刘燕就在叔叔的影响下,对口腔知识有了广泛了解,也正是在这样的熏陶下,“科研”两个字很早就在刘燕的心里扎了根,也深刻地印在了头脑里。对刘燕来说,走上科研这条路也许是必然的选择。

  2006年,刘燕进入华中科技大学同济医学院,进行硕博连读。期间,她作为联合培养博士,于2009年前往美国佐治亚医学院牙学院继续科研之路,她对生物矿化机理及生物仿生纳米材料在口腔疾病中的应用进行了深入的探索。

  尽管刚刚到美国一切都还没有完全适应,但刘燕的身心早已扑在了科研上。在导师Franklin R.Tay教授的指导与刘燕紧锣密鼓的研究计划下,她仅仅用了短短一年时间,便于2010年首次在国际上合成了具拓扑结构的单纤维矿化胶原;更在毕业前,以第一作者身份在Advanced Materials、Biomaterials及Acta Biomaterialia等国际顶尖材料杂志上发表了8篇高质量学术文章。

  不管身在哪,走多远,刘燕都想用所学所想更好地回报祖国。2011年博士毕业后,刘燕回国来到北京大学口腔医院正畸科进行了两年的博士后深造,在周彦恒教授的指导下,她开始逐渐将研究重点从基础理论方面转向生物仿生纳米材料在组织工程中的应用研究。

  谈到刚来到北京大学口腔医院时的情景,刘燕仍记忆犹新。“那时我们正畸科实验室还没建立,很多研究都无从下手,对我来说一切都是从零开始。”刘燕说道。为了能够进行实验研究,刘燕只能到处“借”实验室,在其他科研人员使用完毕后才利用空隙时间使用仪器。那时,因为研究需要,刘燕常常凌晨4点就要起床前往实验检测中心,做完实验后又要马不停蹄地迎着朝阳赶往北京大学口腔医院上班。

  在这期间,刘燕对研究方向进行了扩展。起初,她主要针对牙釉质和牙本质的矿化进行研究。她提到,究其本质,牙齿其实是一种坚硬的矿化组织,在牙齿矫正过程中,很多患者的牙齿上会留有一圈白色痕迹,这就是牙齿脱钙现象。这是因为在牙齿矫正过程中,牙齿会因被酸蚀而失去原有的矿物质,而在得不到正常补给的情况下,便会留有白色痕迹。“牙齿脱钙往往是早期龋齿的第一步,因此对牙釉质和牙本质的矿化研究很有必要。”刘燕表示。

  后来在此基础上,刘燕将研究重点转向牙骨。牙齿与口腔内的骨有着异曲同工之妙,其本质都是矿化组织,她在经过系统研究后发现,在进行正畸治疗中,若想要移动牙齿,常会与骨头发生“冲突”,因此牙与骨是需要相互配合的,这同样也是正畸的重要原理。

  十年寒窗磨一剑,积累了丰富经验的刘燕,头脑里有很多“奇思妙想”亟待付诸实践,她也迫切想要利用生物矿化技术为口腔疾病治疗打开一扇新的大门。

  脚踏实地助口腔疾病临床研究

  “做科研的最终目的是什么?还是要使研究成果能够用于临床治疗,切实服务更多的人。”刘燕说道,她也在为这个目标不断努力着。

  据刘燕介绍,由于肿瘤或发育异常、外伤等多种原因造成的颅面部大面积骨缺损,会给患者在生活质量或心理健康方面带来很大的负面影响。不仅是她所在的课题组,在整个口腔研究领域,如何高效实现颌面部的骨再生是急需突破的研究瓶颈。经过仔细研究决定从微纳米水平入手,对天然骨组织的各级结构及胚胎发育进行仿生模拟,以便为宿主细胞提供类似天然的微环境。为此,课题组通过理论计算与热动力学控制,最终体外重组了天然骨的多级结构,这种仿生合成的支架材料具有天然骨样的应力分散能力及降解速率,且能调节免疫微环境并促进宿主细胞的招募,实现了内源性骨再生。相关成果发表在国际顶尖学术期刊如Advanced Materials,Advanced Functional Materials,ACS Nano 等,简化了传统组织工程三大要素,仅需单一支架材料或干细胞来源即可获得与自体移植骨类似的骨再生效率,且将骨再生效率提高到传统支架材料的3倍,并突破了骨缺损中心血管化技术瓶颈,实现了功能骨的再生。研究成果受到权威期刊(如自然材料)的高度评价,认为是生物矿化和组织工程的最好的例子之一,并被知名科技媒体(Advanced Science News, Materials Views 等)广泛报道,首次合成细胞矿化微球是一种有效的骨组织工程再生疗法。

  目前,刘燕团队正通过改进材料的理化及生物功能以适应临床不同类型组织缺损修复,如感染性骨缺损、牙周复合组织缺损等, 希望这种仿生材料能应尽早用于临床,解决目前植入材料进口依赖价格昂贵等问题,造福广大患者。

  独具一格倾心培育科研人才

  从本科、硕士、博士再到博士后,一路走来,刘燕已经非常明白学生最需要的是什么,也相继取得诸多收获。目前,她已经入选2019年国家“万人计划”青年拔尖人才、2018年科技部中青年领军人才、北京市科技新星、第一届全国口腔优秀青年、国际口腔杰出青年学者一等奖及世界华人青年研究学者一等奖等荣誉。

  除了科研遍地开花,刘燕也不忘记自己的另一份职责。采访中,她不仅一次表示,在美国研究期间Franklin R.Tay教授自由而又不失严谨的教学风格,以及回国后北京大学口腔医院周彦恒教授认真负责、永远充满活力的科研作风,都对她产生了深刻影响,久而久之她自己也对培养学生有了独到的理念。

  作为一名研究生导师,刘燕认为首先应该帮助学生形成正确的科研思维。与培养技术员不同,研究生的培养要更加灵活,有时甚至可以说不是老师引导学生,而是学生自主找到适合自己的研究方向。

  每每在研究生面试时,刘燕都会通过面试先对学生的科研思维有一个初步的了解,以便找到适合学生的研究方法。例如,如果学生主动性思维活跃,善于探索,刘燕一般不会特别指明学生的研究方向,而是让其自己做选择。“只要是有价值、有意义的研究方向,哪怕当时看起来是不可能完成的事,我也会鼓励学生去尝试。”刘燕表示。而在确定研究方向后,刘燕也总是不按套路出牌。她认为,如果按照常规的研究方法,很可能将学生固定在一个框架内,这样一来,思维不能发散,研究就难以找到突破口。“当然也不完全是天马行空,一定要在正确研究思路的基础上再去发散性地开脑洞。”刘燕补充道。

  付出就会有收获。截至目前,刘燕已经培养了硕士及博士生6名,学生获得“北京大学优秀博士学位论文”“北京大学优秀毕业生”“北京大学优秀科研奖”等,并多次获得“国家奖学金”。刘燕对科研和教学可以用“狂热”来形容,无论何时何地,无论她在干什么,只要学生有需要,她都会第一时间出现,为学生答疑解惑。而当学生在研究上出现错误时,她也不会轻易否定,而是先在鼓励与支持的基础上,循序渐进地为学生找到问题源头,再进行突破。现如今,刘燕的团队大约有十几位成员,每个成员都找到了自己所擅长的研究方向。多年来,团队运作模式灵活,合作融洽,能够在这样一个团队中工作,刘燕深感幸运。

  未来,刘燕只求能在生物矿化及生物仿生纳米材料的制备这片神奇的土地上,继续纵横驰骋,追逐简单自在的科学快乐。

  来源:《科学中国人》2019年11月(上)

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责任编辑:黄勇

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