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徐铭恩:领跑3D生物打印
来源:民革浙江省委会作者:民革浙江省委会发表日期:2014-08-29
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民革中央副主席修福金向徐铭恩颁奖。

白色的塑料部件,在螺丝的连接下组成手臂的形状;通过“手臂”内的线路传输指令,手臂可以作出握拳、翻掌等各种动作。这条“手臂”的部件是由3D打印机打印出来的。3D打印机完成打印的整个过程就像是用砖头砌金字塔——3D打印机的喷嘴喷出一点一点的材料(这可以看作是金字塔的砖头),喷头按电脑上的三维设计图纸,从底部开始,一点点喷出材料,堆砌出实物,就像是用砖头从底部开始一点点堆砌金字塔。而在未来以生物材料为原料,生物3D打印机将可能打印出整只“手臂”,甚至能打印出完整的肝脏、肾脏。

用生物3D打印机“按需打印”人体器官,使器官移植能为患者量身定制,这正是民革党员、杭州电子科技大学教授徐铭恩目前所研究的内容。在2013年8月,徐铭恩教授带领的团队研发出了国内首款生物3D打印机,轰动一时,新华社、人民日报(海外版)、光明日报、科技日报、中国青年报、浙江日报等180余家主流新闻媒体对此次鉴定会进行了报道。国际顶级期刊Biomaterials更是将徐铭恩团队在细胞3D打印方向的研究评价为本领域最高水平。

3D打印是近年才渐渐流行起来的先进技术手段。然而,早在十多年前徐铭恩就开始接触这项技术,并逐步走上生物3D打印的道路。

理想中寻找目标

徐铭恩1976年出生于浙江杭州,1995年考入浙江大学,获药学学士和生物医学工程博士学位,随后在清华大学机械工程系完成博士后研究,并曾赴美国爵硕大学机械系“计算机辅助组织工程实验室”工作。多年来一直从事生物制造这一交叉学科领域的研究,致力于将先进制造技术和信息技术应用于解决生物医学中的问题。

徐铭恩本科学的是医学,而研究生则分别学习了生物工程。拥有如此大跨度的专业知识,最终从事的却并不是三者之一的行业,未免让人有些不解。不过,对于徐铭恩来说,这似乎是水到渠成、理所当然的事。

“在我很小的时候,经历过很亲的亲人去世,而自己却无能为力的状况。当时,我就有了一个念头:要有新的办法来治疗那些还无法治好的病。”徐铭恩回忆道。这个突然冒出的想法很快成为他的理想,并总是在他面临关键抉择的时候对他产生影响。

高中阶段,徐铭恩就瞄准了自己在大学时的专业目标——医学,“当时就想着开发出新药物来治病”;大学念了医学专业,发现研制新药物不太现实,于是就在研究生攻读生物工程学,决定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(当时还叫快速成型),并对之产生浓厚兴趣。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,将会给患者带来多少福音。

“理想”、“理想主义”是徐铭恩在接受采访时提及次数最多的词。在研究生物3D打印技术的过程中,徐铭恩一路向前不言弃,也正是因为他心怀美好理想,“我们不会因为一些短期困难或挫折就停下来。即使我们这一代人走不到目的地,但是积累下来的经验技术可以帮助下一代人继续前行。人最终的事业动力还是来自于‘见众生’,看到自己的技术帮助到很多人,这最有成就感。”

“见众生”,电影《一代宗师》中用来评价习武之人的最高境界,寓意在见了自己、见了天地后,用自身人格武德去感染他人。徐铭恩斟酌后用这个词,并非故作姿态、空洞夸张。2006年,徐铭恩博士后出站的第一年,获得了国家自然科学基金和博士后科学基金一等资助,同年,又被破格晋升为副教授,而后在课题上又遇到了很大的挫折。成功没有带来持久的幸福和满足感,困境又时时萦绕心头。

将近一个月里,他一直处于迷惘当中。那时的他还翻阅了大量先贤和宗教典籍以寻求答案。“就是目标太短期、太狭隘,当只盯着个人得失时,最后很容易陷入迷惘。”回过头来,徐铭恩如此评价那时的自己。

沉吟了片刻,他继续说道,“人最终要面对自己,总要有一个支撑的东西。个人的短期追求过于脆弱,要想走得远,就要有一个建立在自身利益得失之外的远大抱负。”

2010年,徐铭恩经历了曾养育过他的亲人在医院用尽最好的技术之后,还是在眼前渐渐冷去的痛楚。同时,这更坚定了他的信念,想法慢慢地外化,投射到更多人身上,升华成一种更纯粹、更简单的情感。理想由此变得具象,“就是做一个技术帮助到更多病人,让大家更健康,生活得更美好。”

这个技术就是生物3D打印。

研发3D生物打印技术

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。它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,打印出的细胞存活率在90%以上。

尽管Regenovo“武艺”高超,但徐铭恩坦言,真要按需打印活体器官还得15到20年时间。前方路很漫长,或许还很费力,但徐铭恩已经做好了充分的准备。

早在2005年,还在清华大学机械工程系生物制造研究所做博士后研究的徐铭恩,就开始着手研究生物3D打印,到2013年8月份成功研制出Regenovo,已走过8个年头。这一路,走的并不顺当。研究初期,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。“一直到2006年6月份才解决了这些问题。”

2009年,团队遭遇资金问题,一时间工作难以继续开展。但徐铭恩从未有过放弃的念头。“目前150个需要移植器官的患者当中,只有一人能幸运地等到器官,如果生物3D打印研发成熟并投入到医学临床的话,能有效缓解甚至消除器官供体短缺的问题,这非常有意义。”

且试且行,总有柳暗花明时。在研究生物3D打印技术的路途中,徐铭恩团队积累下一些技术。通过将其中部分技术产业化,团队摆脱了资金短缺的困窘。“我们最终要做的是人工器官,在这个过程中要脚踏实地,正视眼前的困难,但原则是必须在生物3D打印这个框架下。否则,趋时近利,忘了我们最初的方向就没什么意义了。”

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。熟悉他的人都说“徐老师一身正能量”。问及原因,徐铭恩略加思索,“我还没确切想过这个问题,应该是一直以来做的都是自己喜欢的事情,感觉很幸福、很充实,所以人也会处于一个最佳状态。”他语调柔和,声音温润醇厚。

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。因为当时还没有研发团队,徐铭恩只能靠自己一个人来干。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!”

培育下一代科技创新人才

当初,徐铭恩回国后,一直有一个信念,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”,以期服务于长三角中小企业的科技创新。对于人才,浙江一向求贤若渴,作为年轻一代学术技术带头人,2008年徐教授入选浙江省“新世纪151人才工程”。但徐铭恩还有个更大的目标,是要培养出更多的人才为祖国家乡服务。

经过多年努力,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。获得国家自然科学基金、省部级项目和企业项目几十项。与美国Drexel大学、Texas大学、韩国POSTECH大学等多家国外研究机构建立了合作关系,研究处于国际先进水平。生物制造研究中心为长三角的生物医药中小企业科技创新提供了有力的帮助,为一些企业开发的产品达到国际一流水平,获得了国内市场占有率第一,并进军国际市场,

在这个研究中心里,徐铭恩与自己的学生和其他老师组成了一个专门做生物3D打印研发的团队,徐铭恩的担子似乎轻了一些。但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开放、管的松、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!”

徐铭恩也跟他的学生谈坚持,这时的他更像是一个青年导师。“有些时候就是差最后那么一下,就能够挺过来,但是很多人往往考虑得过多,走不下去。青年应该有理想,不要太短视。有些学生一听说哪个专业好找工作,就围绕这个做相关准备,可能短期内会看见成效,但不容易走得长远。”

徐铭恩谈起一个学生在舅舅病逝后消沉了很长一段时间,“之前我问他为什么读研究生,他说是为了赚钱,经历这件事情后,我在开导他的时候提到如果自己做的技术有朝一日可以帮助更多人免遭这些痛苦,他一下子就有所感悟了。”此后,这名学生的工作动力、投入程度和坚韧度都大为改进,能独立进行一些比较重要的任务,并且出色地完成。“立志,立一个美好的志向,对他们的成长大有帮助。”

显然,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。

严苛归严苛,徐铭恩在学生群体里可不是一般地受欢迎。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。”他的另一个研究生石然讲了这样一件事情:住她隔壁宿舍的一个学生去年选修了“生命科学导论课”后,今年又去旁听了。“接地气!能将枯燥的知识与有趣的实例相结合,想不感兴趣都难!”

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。一路走来,徐铭恩对生命科学、医学、机械、材料、仪器等各个领域都有涉猎;翻阅他的发明专利和历年所发表的论文,可以发现他对各个领域都颇有研究。

徐铭恩走进文澜讲坛

“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。

但并非所有学生都能理解他的一片苦心。有些研究生认为徐铭恩做的东西过于偏研究,不好找工作,徐铭恩也表示学生跟自己在价值观上存有冲突。“其实很多事情都是水到渠成的,我希望现在的学生多一点理想主义情怀,少一点功利心。”“理想会让人走得更远,也不容易受挫。”这是徐铭恩经常跟学生讲的一句话。

2013年11月,徐铭恩特地走进浙江图书馆,开播了一期文澜讲坛——《3D生物技术》的讲座,吸引了不少对科技感兴趣的青少年及学习相关专业的大学生。

目前,徐铭恩带领着团队,凭借去年研制出的世界首台商品级生物3D打印机走在这项研究的国际前沿。然而,他并未就此满足,“现在的第三代打印机已经可以打印出耳朵等器官,肝细胞也可以存活一段时间。也许在未来的若干年内,我们就能打印出完整的肝脏。”虽然这个过程很难,但徐铭恩已经做好了准备迎难而上。

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