學校主頁 黨委宣傳部 新聞網
學校主頁 黨委宣傳部 新聞網

把細胞變“積木”,用微納機器人組裝人體器官


——【一流建設系列報道】北理工福田敏男教授運用微納操作機器人實現人體微組織重構專題報道

 

  說起樂高積木,大概很多人都有知道,這款世界經典的玩具,利用許許多多的積木單元可以組裝出各種各樣的造型。

  可你是否想過,人體是否也能用“積木”組裝複制呢?把一個個最基本的細胞單元變作“積木”,組裝起來去複制人類的組織和器官。現在這項技術已經不是天方夜譚,而是真實的發生在500万彩票网平台的校園中,而開辟這個領域研究的正是IEEE第十領域(系統與控制)主席、中國科學院外籍院士、500万彩票网平台教授福田敏男,他“帶領”著自己的微納機器人們,在造福人類健康的道路上成績斐然,並不斷探索前行。

科学理想从“抓住水滴世界中的微生物” 起步

早期,福田敏男教授與同事共同研發壓電陶瓷驅動器技術,爲制造高集成度的微納操作機器人做技術儲備

  1984年的某日午後,還是一位青年學者的福田敏男在河中劃船時,發現水中有一些活動的微小生物,出于好奇,他將河水帶回了實驗室,用顯微鏡仔細觀察,小水滴中竟然有如此多的微生物!福田敏男不由自主地想用手去抓住它們,然而如此微小的生物,手根本不可能抓得住。從此,在好奇心的驅使下,福田敏男一直在思索如何抓住如此微小的生物,這也成爲啓發他從事微納操作機器人研究的靈感來源。

  從1984年起,福田敏男針對顯微鏡下操作微生物開展了大量的理論研究,並逐漸形成了自己長遠的研究規劃,即參照在顯微鏡下操縱微生物的模式,構建操作細胞的工作方式,進而可以挑選優質細胞,並將其作爲原材料搭建成人工的組織和器官。讓人體組織器官的複制,如同顯微尺度下的房屋搭建,並最終建立工業生産線,規模化的生産人工組織器官。帶著這個夢想,福田敏男開辟了面向人體器官再造的微納機器人生物醫學操作研究新領域。

  科學的理想,離不開現實的基礎,福田敏男的計劃必須要依托微納米級的先進設備來實現,不僅要“看”到微納尺度,還要能在微納尺度上“做”,挑戰不小。要實現“看”,高精度的電子顯微鏡自然是首選,傳統光學顯微鏡只能看到一根頭發直徑大小,電子顯微鏡則能看到頭發直徑的十萬分之一,但是要觀察只有頭發直徑十分之一尺寸的普通人體細胞,還要實現對單個細胞的操作,甚至是局部進行切割、注射,電子顯微鏡不可或缺。而實現“做”的能力,則要將微納操作系統安裝到電子顯微鏡中,但在上世紀末,電子顯微鏡作爲高端設備,價格昂貴,數量不多,這是沒有人敢想敢做的事情,更談不上開發納米級別的手術刀、鉗子、注射針等能夠在微納尺度下對細胞做手術的裝置。雖然面對許多困難與挑戰,但是福田敏男並未放棄自己的夢想,一直在研究蓄力。

“鑿開”昂貴的SEM,把機器人裝進顯微鏡

  時光來到2000年,隨著機器人技術、精密制造、控制科學的快速發展,福田敏男實現夢想的技術條件逐漸成熟。2002年,福田敏男頂住壓力,大膽對昂貴的掃描電子顯微鏡(SEM)實施大型改造,他首先將基于壓電陶瓷驅動的高精密驅動器制造成集成度極高的操作機器人,同時使用先進的等離子刻蝕技術制備納米級別的末端執行器,也就是納米手術刀、納米鉗子等等,最後將這兩個部分整合爲微納操作機器人,然後鑿開SEM高真空密封的腔室,將機器人系統裝入其中,成功實現了微納尺度下“看”與“做”的完美結合。

光學顯微鏡下,對微血管的協同組裝過程

  由此,福田敏男首創了環境掃描電子顯微鏡(ESEM)下生物目標的機器人化操作系統與方法,從而結束了人類對單細胞等微納尺度活體目標只能看得到卻摸不到的狀態。基于該系統,福田教授相繼提出了基于“納米壓痕”操作理論的活體細胞切割、參數提取和篩選的方法,這也成爲世界上首個電子顯微鏡下生物細胞的機器人化操作理論體系,該研究受到世界各國的高度關注,在美國桑迪亞國家實驗室向美國能源部呈送的納米機器人研究年鑒中,不僅大篇幅報道了福田敏男的研究,還稱其爲“在納米操作機器人中全世界最具代表性的研究者”。福田敏男的研究也被各國媒體多次報道爲“世界上最小的手術刀”。

在北理工,他用機器人“組裝”人體微血管

  實現檢測挑選單細胞,僅僅是福田敏男的科學夢想的開端,而如何用挑選出來的優質細胞按照人體組織器官的構成規律進行三維拼裝,從而以人爲幹預的形式構建人工組織與器官,最終應用于人體組織替換,這一造福人類的壯舉才是他的終極追求,這條科研之路不僅漫長且充滿挑戰。

  21世紀的第二個十年,帶著對科學夢想的執著追求,福田敏男來到了中國,來到了500万彩票网平台。面向世界一流大學建設,北理工長期關注世界科技前沿,對福田敏男的研究給予充分肯定,對他的夢想充滿信心。北理工用誠意和尊重,誠邀福田敏男到中國繼續完成研究工作。經過深思熟慮,北理工的辦學特色和實力以及求賢若渴的誠意打動了他。2013年6月,福田敏男作爲全職教授入職500万彩票网平台。

  引進人才,是爲了讓人才能夠在北理工的沃土上實現夢想、結出碩果。爲了幫助福田敏男迅速將科研工作開展起來,北理工整合辦學資源,克服困難,在人員、場地、設備和經費等方面爲福田敏男提供了有力保障。在科研場地緊張的情況下,學校迅速爲福田敏男配備了150平米的實驗用房,並爲實驗室建設提供了500萬元的啓動經費。之後,學校還爲福田敏男團隊的5名博士生赴海外世界一流大學交流學習一年提供支持。種種有力舉措,在短時間內,幫助福田敏男在北理工組建起一支高水平、具有國際化視野的科研團隊,福田敏男“細胞組裝、再造器官”的夢想在北理工落地生根。

  就像使用樂高積木建房子,首先需要的是有一塊塊可以用來組裝的“積木單元”。因此,“組裝”組織器官的第一步也需要將篩選獲得的細胞封裝成微型的“細胞積木”,俗稱“細胞支架”。對于單個細胞來說,支架就是包裹承載細胞的基礎,可以調節局部生物化學、生物力學和質量輸運微環境,以促進細胞活力和功能。而在更大尺度上,要想“組裝”出厘米規模的活性組織,甚至是完整的人體器官,必須通過對支架進行幾何裝配來實現,而支架不僅可以使得細胞效仿天然組織結構進行“組裝”,還將“服務”細胞以最優的組織形式進行大量的增殖,是體外器官再造的關鍵基礎。

  “細胞組裝”的道理雖然不難理解,但是力的變化卻讓微觀與宏觀呈現出兩個截然不同的世界。重力在微觀世界將失去效能,而各種微觀力,比如範德華力、靜電力和粘附力等卻“登台亮相”,這就使得在宏觀世界看起來非常簡單的抓舉、釋放、排列等動作,在對“細胞支架”進行微納尺度操作時,變得非常困難。因此,如何在微觀液體環境中實現對微小“細胞積木”的靈巧操作,是微納尺度機器人操作與組織醫學工程領域面臨的共同挑戰。

福田敏男到北理工任職後,搭建的首台基于宏微混合驅動與高速顯微視覺的微納機器人協同操作系統

  为攻克这一难题,福田敏男在北理工提出了微纳操作机器人在人体微组织重构中的应用理论,以细胞化微装配体为组装单元,通过跨尺度多机器人的协同微组装,实现功能化人体组织与器官的体外仿制,并搭建了一套基于宏微混合驱动与高速显微视觉的微纳机器人协同操作系统,通过跨尺度运动与组装策略数据库集成,实现了二维细胞微装配单元的自动操作与高效三维组装,操作精度高达30纳米。凭借这一先进的系统,该团队在世界上首次实现了基于微纳机器人生物操作的200微米直径人工微血管的体外构建。福田敏男为面向生物医疗与极端制造的先进机器人技术和再生医疗精密人工器官构建提供了全新方法,其研发的机器人系统也作为我国先进医疗诊治机器人的代表被中央电视台等媒体予以报道,团队先后在IEEE Trans.系列汇刊、ACS Applied Materials & Interfaces等国际知名期刊发表SCI论文22篇,在IEEE ICRA等机器人领域著名国际会议中获优秀论文/提名奖7项。福田敏男因为在北理工开展的卓越工作,获得了2014年中国政府“友谊奖”,并于2017年当选中国科学院外籍院士。

實現組織再造,科學夢還在延續

  延長人類壽命,讓人永葆青春,是人類的終極夢想之一,這也是福田敏男的科學夢,在他的計劃中,完成對細胞的分離和篩選後,就要去實現用機器人生物制造方法“組裝”人體組織。

  然而,人體組織的“組裝”在原理上看似簡單,但在實踐中可是困難重重,充滿許許多多未知的挑戰,其中人體組織生長過程中的營養吸收就是一道難關。真實的人體組織中遍布了不同尺寸的血管網絡,微血管作爲人體組織的基本單元,是爲細胞輸送營養物質的唯一通道。但是受分子擴散原理的約束,細胞僅能從其周圍200微米範圍內吸收營養物質,因此,人體的微血管網絡間距及血管直徑大多在這個尺度。目前,因爲無法制備供給營養的微血管網絡,所以在人體組織器官的重構領域,簡單的二維層狀人工皮膚組織和非活性的人工骨骼替代材料的研發較爲多見。

通過微納機器人技術實現包括肝小葉等具有特定生物功能的人工組織制造的研究方法

  人工微血管是構建複雜三維人工組織,並使其具有生物功能的必要條件,福田敏男突破了對微血管的機器人化構建,這爲他繼續研究包括肌腱、神經等更爲複雜的人體組織重構奠定了堅實的基礎。目前,福田敏男在北理工的研究已經逐步延伸到對神經組織、肝組織等具有特殊生物功能的人工組織的機器人化構建中。在不久的將來,功能化人工組織的構建如果得以實現,並能從醫學、生物學角度對其進行量化評估,那麽人體器官的再生將近在咫尺。

  鉴于福田敏男在机器人、纳米技术、生物医学工程融合领域的突出成就,他已于2015年当选为国际电气与电子工程师协会IEEE第十领域(系统与控制)主席。IEEE作为全球最大的非营利专业技术学会和全球最具影响力的国际学术组织之一,当选其分领域的主席,也意味着被学术科技界认定为世界范围内该领域最具权威的科学家。值得一提的是,福田敏男这位北理工教授也是下一届IEEE总主席(IEEE President)最热门人选之一。

 

附2019 IEEE 总主席投票步骤:

1、點擊網址:https://services10.ieee.org/idp/startSSO.ping?PartnerSpId=AnnualElection;

2、用IEEE賬號和密碼登錄;

3、点击 Go to Ballot;

4、在IEEE President-Elect,2019处,勾选Toshio Fukuda;

5、按步驟確認即可。

 投票日期:2018.8.15~2018.10.01

 

 

分享到:

热门关键词: 500万彩票网手机版| 500万彩票网登录| 500万彩票网app| 500万彩票网官方版| 500万彩票网首页| 500万彩票网平台| 500万彩票网官网| 500万彩票网主页| 500万彩票网网| 500万彩票网开户| 500万彩票网网址| 500万彩票网注册| 500万彩票网网站| 500万彩票网客户端| 500万彩票网下载|