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        在微納尺度探索毛細(xì)血管的奧秘
        ——訪上海大學(xué)無人艇工程研究院特聘副研究員岳濤

        2019-08-01 02:10:12梁偲,江世亮
        世界科學(xué) 2019年7期
        關(guān)鍵詞:福田教授芯片

        岳濤

        我們是在2019年度啟明星的授證交流會上認(rèn)識岳濤的,一個口音有一點點閩粵話味道、陽光帥氣的大男孩。因為是本年度星友頒證交流會的承辦單位,岳濤和他的小伙伴們忙里忙外,落實好學(xué)校安排的各個細(xì)節(jié)。那天的天氣還是比較涼爽的,但岳濤的襯衫前后都有汗水印記。后面的聯(lián)誼聚會和選舉班委等環(huán)節(jié),站在臺上的岳濤談吐、表達(dá)都有不俗的表現(xiàn),最終他以坦誠和實在的承諾當(dāng)選2019級星友群的二位班長之一。這次活動,岳濤給眾星友和所有與會者留下了印象,我們在考慮啟明星采訪對象時自然就想到了他。在傾聽了岳濤的成長經(jīng)歷和了解了他在科研之路上的追求后,我們越發(fā)覺得岳濤是值得采寫的對象,我們的選擇是對的。

        遇良師,內(nèi)在潛能獲挖掘

        岳濤1984年出生于湖北宜昌,父親是公務(wù)員,母親是國企員工。出生未幾,由于父親工作原因,他隨父母來到廣州定居,直到初中才回到宜昌。岳濤說自己從小并不是那種成績突出的孩子,但是老師發(fā)現(xiàn)他蠻喜歡動腦筋想問題,就鼓勵他去參加數(shù)學(xué)競賽,他沒有辜負(fù)老師的期望,通過努力獲得了廣州市級層面的獎項,岳濤說:“現(xiàn)在回想起來,真的要十分感謝老師對我的潛能的發(fā)現(xiàn)和鼓勵。參加數(shù)學(xué)競賽并得到獎項這件事不僅讓我建立了自信,而且讓我發(fā)現(xiàn)了自己擅長的東西,這對一個孩子來說非常關(guān)鍵。如果沒有人來引導(dǎo)我,我自身的潛力肯定得不到挖掘,極有可能就被埋沒或者沉淪下去了,所以我很幸運在學(xué)業(yè)的關(guān)鍵階段有老師給了我一個正確的方向?!?/p>

        這樣建立起來的信心也“反哺”于岳濤的學(xué)習(xí)上,他的成績得到了很大的提升,數(shù)學(xué)也成為他的長項和興趣愛好。岳濤回到宜昌上初中后,雖然短期內(nèi)有一定的不適應(yīng),但初二參加全國奧數(shù)競賽時仍然獲得了二等獎,一直到初中畢業(yè),他的數(shù)學(xué)成績都是宜昌市的第一名。甚至到大學(xué),他都會用做數(shù)學(xué)題的方式讓自己放松,這對他來說是一種游戲和娛樂。高中時,岳濤的成績在學(xué)校一直名列前茅,最終如愿進(jìn)入自己心儀的同濟(jì)大學(xué),喜歡數(shù)學(xué)的岳濤打聽到同濟(jì)大學(xué)的數(shù)學(xué)教學(xué),特別是他們的數(shù)學(xué)教材是國內(nèi)大學(xué)的標(biāo)桿。

        愛數(shù)學(xué),走上微機(jī)械研究路

        通過同濟(jì)大學(xué)機(jī)械系四年的學(xué)習(xí),岳濤對機(jī)械工程有了一定的了解,他發(fā)現(xiàn)自己對機(jī)器人和自動控制很感興趣,于是在大四做畢業(yè)設(shè)計時選擇了進(jìn)入做機(jī)電一體化控制研究的劉釗教授的實驗室。岳濤很想趁做畢業(yè)設(shè)計的機(jī)會,檢驗一下自己四年學(xué)習(xí)的專業(yè)知識有沒有實際用處,或者說想驗證一下自己將書本知識轉(zhuǎn)化成實際應(yīng)用的能力。岳濤的畢業(yè)論文是要設(shè)計一個針對現(xiàn)場工況的綜合監(jiān)測系統(tǒng)。在劉老師的指導(dǎo)下,他花了半年多的時間最終研制了一個可以監(jiān)測油溫、發(fā)動機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)的手持終端顯示裝置。這個過程讓岳濤很有成就感。

        本科畢業(yè)設(shè)計完成后岳濤就進(jìn)入劉教授的實驗室攻讀碩士學(xué)位。此時,劉教授和當(dāng)時從日本東京工業(yè)大學(xué)留學(xué)歸來的朱玉田、俞燕蕾教授等申請到了一個光控微機(jī)械方面的863子課題。俞燕雷也是我們啟明星,現(xiàn)在是復(fù)旦大學(xué)的教授,她在課題中主攻光控材料。劉、朱兩位教授帶領(lǐng)的同濟(jì)大學(xué)課題組主要負(fù)責(zé)用這個材料去做微機(jī)械。作為課題組一員,岳濤的任務(wù)是將光控材料應(yīng)用于微機(jī)械中。

        微機(jī)械在這里出現(xiàn)了多次,我們讓岳濤解釋一下。岳濤說所謂微機(jī)械,其操作尺度為100微米左右,相當(dāng)于人的一根頭發(fā)絲的直徑,這也是人的裸眼能夠分辨的極限。這種尺度的微機(jī)械可用于控制微量液體的輸出輸入,實現(xiàn)對微量液體的精確控制。相對于微機(jī)械,傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)(齒輪或軸承等)的尺寸和機(jī)構(gòu)間的響應(yīng)速度無法與之比擬,而且,微量流體的操控從理念到手法都是完全不同的。譬如岳濤所在的劉、朱兩位教授帶領(lǐng)的同濟(jì)大學(xué)團(tuán)隊就是利用光控材料對紫外光敏感的特性(光照后材料可以彎曲),設(shè)計了一種特別的機(jī)構(gòu)將光控材料的這一特性轉(zhuǎn)化為機(jī)械運動,實現(xiàn)材料在微機(jī)械上的運用。

        轉(zhuǎn)眼到了岳濤碩士畢業(yè)的當(dāng)口,岳濤面臨諸多的選擇:是工作還是繼續(xù)讀博,讀博的話是在國內(nèi)讀還是到國外去看看?由于機(jī)械是一個與工程結(jié)合得特別緊密的專業(yè),在各行業(yè)中需求量大,因此就業(yè)的學(xué)生占了很大比例,選擇讀博做研究的人很少。但岳濤似乎并沒有受到這些影響,碩士三年的研究堅定了自己要繼續(xù)攻博,走科研之路的想法。他深切地感受到,能了解事物本質(zhì)的基礎(chǔ)研究是創(chuàng)新之源,只有基礎(chǔ)研究取得突破才能推動應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,從而推動社會進(jìn)步,他希望通過自己的研究能給社會帶來哪怕一點點的改變,就已經(jīng)體現(xiàn)了他做科研的價值所在。

        2011年在美國舊金山參加IEEE智能機(jī)器人系統(tǒng)大會時與導(dǎo)師及同門合影

        劉釗老師也希望岳濤繼續(xù)走微機(jī)械之路,并建議他去發(fā)達(dá)國家深造,劉釗和朱玉田兩位導(dǎo)師都為他寫了推薦信。當(dāng)時他考慮的主要是在微機(jī)械研究走在前沿的美國和日本的相關(guān)高校實驗室。加上對東亞文化感興趣,在大學(xué)時選修了日語,所以他把日本的大學(xué)研究機(jī)構(gòu)作為首選。在發(fā)出近百封郵件后他收到了早稻田、名古屋、九州三所大學(xué)的offer,最終選擇名古屋大學(xué)是因為該校的福田敏男教授是機(jī)器人及微納操控領(lǐng)域的世界級專家,而且福田教授在回復(fù)的郵件中展現(xiàn)了他的親和力,對岳濤非常鼓勵,建議他馬上開始申請流程。

        經(jīng)過近一年的入學(xué)和獎學(xué)金申請,2010年10月2日,岳濤赴名古屋大學(xué)工學(xué)院微納系統(tǒng)工程系福田敏男教授的團(tuán)隊攻讀博士學(xué)位。當(dāng)時他的學(xué)費是全免的,生活費得到了中國政府的支持,福田教授也給了學(xué)生一定的補貼。所以岳濤說他在名古屋大學(xué)開始了生活無憂的四年科研好時光。

        在扶桑,幸得世界級專家指導(dǎo)

        盡管因為福田導(dǎo)師的人格魅力,實驗室團(tuán)隊的氛圍很好,但初來乍到的岳濤到了這個完全陌生的環(huán)境,而且是世界頂尖的實驗室,讓自覺學(xué)科基礎(chǔ)不是最好的岳濤備感壓力:首先是語言上,這個國際化的團(tuán)隊包含各國的學(xué)生,交流基本用英文;其次是學(xué)術(shù)上,有很大的沖擊,很多新儀器設(shè)備都沒有見過,不知道從哪里開始學(xué);再次是學(xué)習(xí)態(tài)度上,福田教授希望每個人都有很強(qiáng)的主動性,鼓勵大家去想、敢想的思維方式。

        實驗室對新來的博士生要求一個月之內(nèi)提出科研方案,并在組會上作介紹。一籌莫展之時,實驗室里幾個中國師兄伸出援手,他們幾乎是手把手地把岳濤帶入到生活和科研的正常軌道:包括與導(dǎo)師交流如何凝練科研想法,如何規(guī)范地做科研路線規(guī)劃和研究方案,甚至細(xì)化到如何在PPT上作恰當(dāng)?shù)恼故?、表達(dá)思想等等。一個月內(nèi)岳濤根據(jù)師兄們提供的信息和建議,結(jié)合自己以往的科研經(jīng)歷提出了一個方案,并在第一次組會上用英語作了展示。盡管做了比較充分的準(zhǔn)備,但講的過程中福田教授和其他老師還是給了很多批評,但在批評的同時卻很肯定岳濤能提出自己想法,總體上也是認(rèn)可他的開題方案的。第一次的組會報告對岳濤是一個綜合的考驗,過程雖然很艱難,但他受益匪淺。

        福田教授的實驗室研究各種尺度的機(jī)器人,岳濤選擇了與自己研究背景相關(guān)的微米級機(jī)器人,這種機(jī)器人及其操作的尺度是10微米,必須借助顯微鏡來進(jìn)行研究。目前,針對血管損傷,主要是用非生物材料,如高分子材料做成的人工血管進(jìn)行替代,但它存在易老化、生物相容性和安全性不足等問題,岳濤從事的課題研究是希望通過機(jī)器人將人體本身的細(xì)胞構(gòu)建成人工血管。這一研究也是日本文部科學(xué)省一個大的5年計劃的一部分,目標(biāo)是通過對生物組織和細(xì)胞的操作和組裝來構(gòu)建人工器官(包括血管)。岳濤從剛開始要做一個對單個細(xì)胞進(jìn)行操控的機(jī)器人,到后來逐步凝練提升,在博士畢業(yè)時他已經(jīng)完成了人工血管的機(jī)器人化高效構(gòu)建——構(gòu)建了一套多動能的微流控芯片平臺,集成了很多機(jī)器人的操作,包括從目標(biāo)細(xì)胞的增殖、操控、包埋、構(gòu)建到最終構(gòu)建成直徑為1毫米的人工血管。

        當(dāng)我們問起福田教授對岳濤的評價時,他暖心地笑了笑說,導(dǎo)師很喜歡他,認(rèn)為他不僅做事細(xì)心,而且為人可靠,交代的事情肯定記得且按時按質(zhì)完成,讓人放心。不足的地方是還需要更大膽地與人交流。

        微齒輪驗證了微米級高速原位光加工技術(shù),該技術(shù)是構(gòu)建多功能微流控芯片的重要基礎(chǔ),實現(xiàn)了芯片內(nèi)微環(huán)境的精確調(diào)控

        器官芯片內(nèi)的毛細(xì)血管

        赴美國,深度參與微納生物醫(yī)藥研發(fā)

        2014年,岳濤即將博士畢業(yè)。他給自己定了一個小目標(biāo):如果博士畢業(yè)時能夠發(fā)一篇比較好的論文,自己就再去美國做博士后,感受一下處于世界科技霸主地位的美國是如何進(jìn)行科研的。看似隨心的決定背后其實是一顆堅定走科研路線的心,岳濤畢業(yè)前果真有一篇文章被微流控領(lǐng)域最好的雜志接受了。已有成果加上福田教授的推薦,岳濤很順利地申請到美國的俄亥俄州立大學(xué)。

        俄亥俄州立大學(xué)的醫(yī)學(xué)比較出名,特別是微納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。岳濤在俄亥俄州立大學(xué)兩年間開發(fā)了一個微納操控的實時藥物作用評價系統(tǒng),利用這個系統(tǒng)可以對未知疾病的病理做出工學(xué)上的解釋。所謂工學(xué)上的解釋,是指從細(xì)胞或蛋白的物理機(jī)械性能,如軟/硬度、粗糙等形態(tài)上觀察病變情況,解釋疾病機(jī)理。不同的疾病在物理性能上有不同的表現(xiàn)和特點,可以從形態(tài)和物理特性的角度做出分辨。在此期間,岳濤仍一直在關(guān)注人工血管方面的進(jìn)展,當(dāng)看到加州大學(xué)歐文分校有關(guān)人工血管的博士后研究項目時立馬就申請并獲批。這樣,岳濤又在歐文分校度過了近兩年的博士后生涯。

        雖然都是做人工血管,但日美的設(shè)計思路和技術(shù)路線不同,前者是用機(jī)器人去搭建細(xì)胞從而生成血管,而后者是通過微納技術(shù)操控細(xì)胞生長的環(huán)境,讓細(xì)胞自己構(gòu)建生成血管,操控的環(huán)境不同,可以形成不同的器官。在歐文分校做博后研究期間,岳濤將自己研制的微流控芯片平臺與器官結(jié)合起來做成器官芯片,這樣的器官芯片不僅可以修復(fù)、替代血管,還可以用來測試和篩選藥物。而這后一個功能實際上又開拓了一個與藥物創(chuàng)制有關(guān)的新的方向。

        岳濤解釋,目前抗癌藥藥價奇高在于研發(fā)過程的成本很高,過程繁復(fù),通常是從上萬個化合物中進(jìn)行篩選,一步步進(jìn)行細(xì)胞層面的實驗、動物模型的實驗、臨床實驗,研發(fā)時間可能要15年,涉及數(shù)十億美元的投入。如果有一種能更有效剔除無效候選藥的工具,就能大大降低研發(fā)時間和資金投入。而器官芯片就是這樣一種工具,可以針對不同的疾病開發(fā)不同的芯片模型去測試不同的藥物。例如,毛細(xì)血管是藥物進(jìn)入人體的最終部位,把癌細(xì)胞嵌入到血管芯片內(nèi)部,通過往血管芯片注入篩選藥物,就能夠觀察到該藥物對癌細(xì)胞的作用,同時也能了解藥物對血管有無副作用。制藥企業(yè)對此有巨大的需求。岳濤在博后期間不僅申請了專利,還協(xié)助該成果產(chǎn)業(yè)化,不少藥企成為他們的客戶。

        綜上,岳濤在美國兩地四年的博后科研經(jīng)歷不僅讓他學(xué)術(shù)上有很大收獲,也使得他對美國的產(chǎn)學(xué)研體系、成果轉(zhuǎn)化和商業(yè)化有了操作層面上較深入的了解和感受。

        沐春風(fēng),從上大無人艇再出發(fā)

        2018年,結(jié)束四年的博士后研究工作,岳濤加入上海大學(xué)無人艇研究團(tuán)隊。事實上,早在2016年暑假期間,他就到上海大學(xué)拜見了無人艇研究團(tuán)隊的創(chuàng)辦人羅均教授,與羅均老師團(tuán)隊有了直接接觸與交流,團(tuán)隊幾位老師對年輕人的期望、培養(yǎng)和呵護(hù)之情,讓岳濤非常想加入這個團(tuán)隊。當(dāng)然岳濤本人的學(xué)習(xí)研究經(jīng)歷,特別他在國際該領(lǐng)域最好的福田敏男教授實驗室的經(jīng)歷,以及他正在研究的微納機(jī)器人在生物醫(yī)療方面的應(yīng)用是無人艇領(lǐng)域非常重要的補充。一個識才、愛才,一個確實有才,這樣雙方一拍即合。

        談及未來的科研規(guī)劃,岳濤希望能進(jìn)一步了解血管生成的機(jī)理,目前通過操控環(huán)境雖然可以生成血管,但是對細(xì)胞如何生成血管、環(huán)境對血管生成的影響等都還有待深入了解。如何通過微納操控建立特定環(huán)境(輸入)與該環(huán)境下血管生成效果(輸出)之間的聯(lián)系將是岳濤未來研究的重點,也是他這次獲批的啟明星課題的研究方向。

        訪問中,岳濤不止一次地說了這樣一段話:“不努力追求很難再上一個更高的臺階,也根本不知道自己的潛質(zhì)在哪里。也許翻過這堵墻之后就是另外一番風(fēng)景?!边@其實既是他這些年在科研之路上不斷努力的寫照,也是可以跟更多人分享的切身感悟。

        翻開2019級啟明星名錄,岳濤目前的職稱還只是講師。相對于不少已是研究員、教授的星友,似乎“低”了點。但我想這也恰恰體現(xiàn)了啟明星計劃扶持青年科技人才的初衷,在他們事業(yè)的起步階段給予雪中送炭的支持,助其在科研之路上走得更穩(wěn)更好。同時我們也注意到上海大學(xué)一直在對優(yōu)秀青年才俊的扶助上有大手筆,剛?cè)肼氁荒瓴坏降脑罎呀?jīng)受聘為無人艇研究院特聘副研究員就足見他們是厚待有為年輕人的。相信岳濤在這樣暖心的環(huán)境中一定會踏實精進(jìn),實現(xiàn)自己“用科研推動社會進(jìn)步”的抱負(fù)。

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