【国重实验室与生物医学材料】6个实验室62位PI,纳米材料、药物递送、再生医学贯穿始终

作者: 周梦亚 2022-09-22 14:03
“石器时代”、“青铜器时代”、“铁器时代”、“聚合物时代”、“硅时代”、“碳时代”......人们习惯用材料来对某一个时期进行命名。


材料是人类文明的物质基础和先导,几乎每一次重大的科技革命都与材料相关。如1958年Jack Kilby硅材料做出世界上第一个硅晶体管开启了集成电路纪元;合成橡胶的出现颠覆了人类的衣食住行。


交通运输、能源动力、电子信息、航空航天......材料渗透了生活与科技的方方面面。在医疗领域中,材料也在医疗器械、药物研发、设备耗材等各个领域发挥着作用。


本文中,我们统计了6家从事生物医学材料研究的国家重点实验室,覆盖62位研究人员,希望通过分析他们的研究一窥生物医学材料的趋势与热点,观察材料的科研与产业的距离。


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本次纳入盘点的6家生物医学材料相关的国家重点实验室


国家重点实验室们在研究什么?


国家重点实验室们在研究什么?首先我们先来了解下这些研究人员们在研究什么。通过数据透视,我们发现这些研究人员的研究是发散而广泛的,在材料层面覆盖纳米材料、仿生材料、高分子材料、再生材料等多种材料,在应用上涉及生物传感、药物研发、3D打印、微流控等多个方向,在转化研究上也包含了医疗器械、体外诊断、药物递送、组织再生工程等多个产业细分领域。


从研究的热力分布图来看,纳米生物与医学、再生材料、生物传感器和仿生材料最受关注。
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备注:研究热力图对应的标签并不全在同一个维度。为了避免统计结果过于笼统,我们将一些研究热度高的应用研究单独列出,以体现研究分布的详细情况


1纳米生物与医学


严格意义上讲,纳米生物与医学的研究不仅仅是纳米材料本身,还包含了与之相关的材料特性和表征技术,以及基于这些展开的对生命过程的检测和调控研究,是纳米科学领域的重要组成部分。


在我们统计的62位研究人员中,从事纳米生物与医学研究的有35位——这一方向的研究占据了整体研究的绝对主导地位。


这些研究主要体现在药物研究和疾病诊断两个方向。其中,药物研究方向主要聚焦药物递送和纳米药物两个层面。


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其实早在20世纪60年代,纳米材料就在药物递送方向得以应用。1965年英国科学家Bangham发现脂质体的时候,就开始涉及纳米药物载体。国内药剂学界也很早把纳米给药系统介绍到国内,并开始研究。当时把纳米粒写成“毫微粒”,“毫微”就是纳米的意思。


在本次统计到的研究人员中,从事“纳米生物与医学+药物递送”研究的研究人员共有8位。药物递送也是纳米生物与医学研究的主流方向之一。这一研究趋势与产业趋势趋同。


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再具体的实施路径上,纳米材料在药物递送方面的研究也有多个路径,如通过脂质体携带药物、通过聚合物胶束,通过纳米机器人或者自组织的药物系统自组装药物。


不仅如此,纳米材料在疾病诊断研究方面也有诸多贡献。如通过在纳米粒子上连接抗体,对目标分子进行定向诊断,如运用纳米技术制备或构建的含有纳米颗粒的显像载体,用于增强医学成像反差等。基于纳米材料开发的分子诊断、生物成像技术,以及荧光、生化检测技术在疾病的早期诊断方面展现出前景。


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2再生材料


衰老、疾病和创伤,是人类健康的三大敌人。除了衰老外,一部分疾病和创伤会给人体带来不可能的损伤,或者是器官、组织的缺失和老化。如果能将这些缺失和老化的器官再生,似乎就可以减小甚至消除这些疾病给人体带来的负面影响——于是,再生医学诞生了。

再生医学主要有细胞技术再生和材料再生2条技术路径。在本次统计到的62位研究人员中,从事再生研究的有12位。


无论是器官还是骨组织,目前其实都已经实现了物理级别的替代和“再生”。但由于这些解决方案始终不具备生物层面的性能,人们一直希望能够寻找到是组织和器官再生的方法。


通常,基于材料的再生研究是通过具备组织诱导特性的材料来实现的。通过将体外大量扩增得到的细胞种植在组织诱导材料的多孔支架上,将细胞在体外或体内进行培养。随后,生物基质会在细胞生长完成后进行降解,最终重新得到活细胞、器官或者类器官。


基于这一理论,也有研究人员将组织工程与药物释放,以及基因治疗结合起来,衍生出生物材料结合的细胞疗法。


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3仿生材料


生物体自然合成了大量复杂的、功能强大的化合物和物质。这些合成的过程或者某些东西的功能超越人类本身的技术设计方案,在百万年的自然净化中接近完美。人们把试图模仿这些功能的行为或技术,叫做仿生。


仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料,结合了材料科学、生命科学、仿生学。自然进化使得生物材料具有最合理、最优化的宏观、细观、微观结构, 并且具有自适应性和自愈合能力。


仿生设计不仅要模拟生物对象的结构, 更要模拟其功能。在我们所统计到的研究人员的研究方向中,仿生材料主要聚焦高分子材料和纳米材料领域。


高分子材料由于其分子结构和质量的特殊性在许多工业生产领域得到广泛应用。由于其属性和功能性的广泛,高分子材料也被一部分人认为是有生命的、有各自性格的一系列材料集合,通过对聚合物的改性、加工和复合,实现对材料性能的改性。


因此,高分子材料也成为材料仿生学设计的落脚点之一,进而得到各方面性能都更契合人体生物化学物质的吸收和代谢规律的功能材料。


而随着分子生物学、分子学等基础技术领域的突破,仿生技术也进入了分子水平,开始研究结构与功能的关系。仿生技术也在从自然仿生走向纳米仿生,在医学方向也有着大量的转化应用,如仿生细胞膜、仿生药物载体等。

此外,中科院还与江苏省人民政府、苏州市人民政府和苏州工业园区共同出资中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所,开展纳米仿生与医学相关领域基础性、战略性、前瞻性研究。


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体外诊断、药物递送、生物传感,生物医学材料的转化与应用


作为发展的基础,材料在医疗领域应用非常广泛,小到纱布、注射器,大到仪器设备,替换的人体组织和器官。材料在医学领域的应用几乎涉及到了方方面面。在这些研究人员中,落地最为突出的是体外诊断、药物递送,以及生物传感方面的研究。


1体外诊断


在这些研究人员中,有21位有从事体外诊断相关的材料研究。具体到材料类别层面,这些材料依然是以纳米材料、高分子材料为主。其中,分子诊断是最多的一个细分方向。


分子诊断是在分子生物学、材料学和超分子化学等交叉学科的理论和技术发展的基础建立起来的诊断技术,通常以DNA和RNA作为生物标记物。材料在这其中的研究主要包含分子诊断的检测与分析技术、检测芯片、探针等。


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当然,需要说明的是,生物成像技术也是在检测方向的重点。这里面的方向一个是光电材料及元器件的研究,另外则是造影剂。


相较于传统超声造影而言,纳米级造影剂高度符合超声分子显像对理想造影剂的要求,而被逐渐应用于特异性的超声分子成像。目前报道最多的纳米级造影剂是液态氟烷纳米粒、乳粒,其靶向性优于普通微泡;另一类纳米级脂质体造影剂具有散射特性。


2药物递送


药物递送一直是医药研发中永恒不变的话题,简单来说就是要在正确的时间、正确的空间,实现药物正确计量的释放,以增加药物的利用效率。


无论是化药还是生物药,几乎所有医药都会面临药物递送的问题。这一过程不仅影响最终药物发挥药效的作用,甚至成为决定药物研发成败的关键点。药物递送与材料的关联性也非常强。在这些研究里面,药物递送相关的的材料类型包括脂基体、高分子材料和无机材料。


高分子聚合物医药领域有悠久历史。在药物/生物活性物质控释系统、非病毒载体等方向都有比较常见的应用。高分子材料可分为线性聚合、树状聚合。


在药物递送研究中,不同结构的分子根据各自优势也对应着不同的载药方式。如储层型、包裹型等。而随着生物药和生物疗法的崛起,对这些生物活性物质(药物分子、基因片段、多肽与蛋白、生长因子、核酸类药物、细胞)的递送也成为了研究的新方向。


纳米材料同样是药物递送绕不开的话题。当然,其实药物递送的纳米材料也包含了脂质体、高分子材料和无机材料,不同的是这些材料在结构上达到了纳米材料的标准,具备更优质的特性。


通过纳米技术细胞特异性靶向、转运分子到特定细胞器和细胞内运输等方法克服传统药物递送的局限性。纳米粒子可以提高被封装货物的稳定性和溶解度,促进跨膜运输,延长循环时间,从而提高安全性和有效性,在免疫治疗、基因治疗中被广泛使用。


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补充一句,除了药物递送,一些基于新材料的微电子材料芯片在药物筛选过程中也有应用。


3生物传感


生物传感器,一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器,由固定化的生物敏感材料作识别元件、适当的理化换能器及信号放大装置构成的分析工具或系统。


具体而言,生物传感的实现需要三个过程:


一是感受,将生物信号转化为电信号。这个过程中需要能够提取出发挥感知作用的生物材料。对应到材料研究领域,感知过程首先需要能够满足这些功能的生物材料和酶。


二是观察,将生物材料感受到的持续、有规律的信息转化为人们可以理解的信息。这个过程需要现代化微电子和自动化技术对信息进行传导和加工。对应到材料领域,则需要生物电子学研究作为支撑。


三是反应,将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们,为人们的决策提供依据。


在这些研究人员中,大部分生物传感器的研究基于纳米材料,光学材料和生物材料。这其中,除了抗体、抗原、细胞等生物物质,氧电极、光敏管、压电晶体等敏感原件和换能器都与材料研究相关。


除了满足性能上的要求外,这些材料还应该能够反复使用,具备规模化生产能力。因此除了新材料和材料改性研究外,关于材料生产工艺的研究也在其中。


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贯穿始终,纳米材料研究势不可挡


无论是基础研究、应用研究还是对应到产品转化,纳米材料都横穿主题。


纳米材料这一概念其实是按照材料结构对材料进行的分类,其中包含了纳米级别的高分子材料、无机材料、有机材料等。当材料三位空间的某一位结构单元处于纳米尺寸,当指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。

由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。


因此,纳米材料生物医药、能源、化工催化等各个行业和领域均展现出卓越能力,也被全球多个国家和一众科研机构的重视。美国在2000年通过了《国家纳米计划》,将“纳米科学、纳米材料、材料与新的生产技术”作为优先发展领域。


中国在“八五”期间也将“纳米材料科技”列入了国家攀登项目,并在2001年发布了《国家纳米科技发展纲要》;“十三五”期间还成立了国家纳米科学中心、国家纳米技术产业化基地、以及纳米技术及应用国家工程研究中心来推动基础研究和应用研究,以及产业化。


不仅如此,中科院体系和各个高校相关的纳米科技研究平台超过70个。无论是从战略导向、产业需求和导向和研究热度来看,纳米材料都有可能是生物医学材料领域最值得关注的领域,或许没有之一。


当然,由于个人能力和篇幅原因,本文中所涉及的仅仅是具有针对性的生物医学材料,还有大量针对材料的工艺和工程研究并没有没有被纳入本次盘点范围。但原材料与工艺同样重要,这些材料改性、加工、工艺生产的研究亦值得关注。


▶ 附生物医学材料研究人员名单


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