在地球做太空实验,Firefly Biotech打造模拟微重力实验工具与环境【Space Medicine系列案例】

作者: 谢灵 2022-10-15 08:00
Firefly Biotech
https://fireflybiotech.com/
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微重力模拟装置开发商 | 未公开 | 运营中
澳大利亚
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太空环境与地面完全不同,地面上的经验不能直接搬到太空,否则将会带来难以想象的后果。而人类要想进军太空,首先要深入研究微重力环境下的各种有悖常理的现象,掌握规律以在生命科学、材料科学等方面取得突破。

 

微重力科学的发展不仅推动解决深空航天任务难题,也为科学研究提供了新的领域和途径。微重力环境基本消除了沉降、浮力对流和静压梯度,对推动流体技术、材料科学和生物技术的发展起到了重要作用。

 

微重力环境主要有四种:落塔、飞机、火箭和航天器。这之中,在近地轨道运行的航天器(空间站)是最为理想的实验环境。早于1973年,NASA就开始进行微重力实验的探索。到了90年代后期,随着国际空间站的建设,NASA、欧洲ESA、日本NASDA等空间站的主要参加国纷纷制定了在轨道上的研究战略计划。

 

我国的微重力实验研究从2003年载人航空飞行任务取得成功后开启,随着2021年开始我国神州12号、神州13号的升空,2022年我国空间站“天宫空间站”正式建成,我国近地轨道微重力实验研究迎来春天。

 

微重力对于生物医学和药物研究潜在的价值,促使一些组织在空间站中进行探索性研究,包括安进公司、默克公司和J.Craig Venter研究所(JCVI)等。这些研究主要针对解决生物医学药物研发和再生医学中遇到的问题,涵盖疾病领域包括癌症、感染性疾病、心血管疾病和骨质疏松等。

 

然而,登上空间站做微重力实验研究需要专业的器材与知识储备。一般太空医学企业都将实验内容托付于第三方实验平台与空间站完成,由第三方实验平台提供实验条件和部分器材,交付空间站进行实验。但空间站资源是相对有限的,其他微重力环境的持续时间也远远达不到实验需求。

 

为了满足大多数科学研究的需要,既要有微重力效应又能提供足够长的实验时间,在地球上模拟微重力环境也成为了无数科学家目标。Firefly Biotech就是这样一家致力于提供在地球中模拟微重力环境进行实验的初创公司。


解决微重力实验硬件与条件难题


Firefly Biotech是一家成立于2020年的早期初创公司,入选了南澳大利亚大学创新与合作中心(ICC)和太空创新基金空间风险孵化器(Venture Catalyst Space)合作的计划,这是澳大利亚首个太空相关计划。Firefly Biotech建立了一个为生物学领域设计的自动化微重力实验室并提供相应实验工具。

 

南澳大利亚是澳大利亚航天业的中心。2020年,澳大利亚航天局总部在南澳大利亚落成,这是阿德莱德成为“澳洲休斯顿”的第一阶段。航天局总部的落成,为澳大利亚航空业敲开345亿美元的全球航天业的大门,到2030年,将使澳大利亚的太空经济增长两倍,达到120亿美元。


背靠航天局总部,南澳大利亚政府不断出台各种计划推动南澳航天进展,多个大学和教授加入推动生物医疗等领域的创新创业。据报道,南澳大利亚州有70多家公司雇用了800名业内人士进军航天业,其中包括意大利航天公司SITAEL。

 

Giles Kirby是Firefly Biotech的创始人兼首席科学官,他是诺丁汉大学再生医学博士。目前, Kirby还在南澳大利亚大学未来产业研究所担任研究员,在MDPI临床医学杂志担任医学编辑。他发明了一种利用促进伤口快速恢复的敷料,与其他合作者共同开发了生产环保、低粘附性组织培养表面的新工艺。

 

QQ图片20221013171104.png Firefly Biotech创始人兼首席科学官 Giles Kirby

 

长期致力于研究细胞疗法等再生医学的Kirby在研究过程中发现,再生医学等生命科学的未来需要在微重力环境中取得进展性突破,但实验硬件缺少和门槛过高成了生物学家进一步研究的难点问题。为了解决这一问题,促进再生医学等生命科学领域的进步,Kirby创办了Firefly Biotech。


澳大利亚第一个双轴回转器


在地球上打造一个供给实验的微重力实验环境是一件困难的事。一般将10-3g到1g(即0.001g到1g)之间的重力状态称之为微重力。为了提供生物学家理想的实验环境,大部分实验室都需要配备回转器产生微重力效应,模拟10-2或10-3(即0.01g或0.001g)g的微重力环境。但目前市面上大部分的回转器都是单轴回转器,只能达到10-2(0.01g)的重力。

 

Firefly Biotech在澳大利亚率先推出双轴回转器,双轴回转器能够达到10-3(0.001g)的重力环境,比起之前的单轴回转器,能够模拟更接近空间站的微重力环境。

 

QQ图片20221013171057.png 双轴回转器 来源:Firefly Biotech官网

 

微重力模拟装置能够应用在广泛的生物学研究领域,包括细胞培养、癌症研究、细胞疗法、干细胞研究、药物发现、组织工程、天体生物学、蛋白质结构分析、胚胎等领域。

 

除了打造双轴回转器外,Firefly Biotech还开发了一个驱动双轴回转器的微重力开源算法,将实验的各个部分整合,能够检测微生物的细微变化。在组织工程培养方面,Firefly 将材料化学与PC2工作流程相结合,开发定制的微重力组织培养解决方案,并确认使用工业4.0技术为医疗实验提供高质、前沿的医疗原型样本。

 

除了Firefly Biotech这样的创业公司致力于开发双轴回转器外,NASA也在2022年3月宣布打造双轴回转器以模仿空间站微重力环境供给生物学研究。


写在最后


微重力环境的模拟对于生物学和医学来说意味着重大突破。地面微重力模拟是随着航天技术的发展而出现的一种新领域,这也很快成为美国、日本、加拿大等空间大国相继关注的重要技术之一。相比于数字仿真和理论评估,通过微重力模拟得到的实验数据真实性、可靠性更强,具有不可替代的优势。

 

微重力的模拟主要原理有两种,一是运动法,二是力平衡法。目前地面模拟微重力实验环境主要依靠运动法。运动法通过使物体按照特定的规律运动,让物体所受的重力几乎全部用来抵消惯性力或离心力,以此消除重力影响。回转器利用的就是这种方法。

 

另外,还有一种利用抛物线法打造实验环境的方式。瑞士Nova Space Biotechnology脱胎于苏黎世大学,使用大型和小型喷气式飞机和亚轨道系统设计、建造和测试微重力实验硬件的经验和技术,帮助生命科学领域实验创建实验方案、提供技术支持和实验材料的确定。

 

目前国内也有不少企业提供单轴回转器打造微重力模拟环境,双轴回转器在全球范围内都较为稀少,国内此资源依赖进口。大部分科学家都认为,要攻克疑难杂症特别是癌症,希望或许在太空。在我国的空间站上,有两个专为生物医学的研究内容,一是“太空肿瘤”,二是“微重力对致病菌生长和生物膜产生的影响”。未来的生物医学领域,微重力实验环境或是突破的关键所在。


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文章标签 生物技术
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