隨著微納技術(shù)和生命科學(xué)的發(fā)展，面向組織工程與再生醫(yī)學(xué)的微納生物制造技術(shù)引起國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注，也引得無(wú)數(shù)科研工作者探索其深層奧義。但是，對(duì)于其所蘊(yùn)含的基礎(chǔ)規(guī)律、控制方法及相關(guān)工程技術(shù)，尤其是國(guó)際上常用的微型化細(xì)胞原位培養(yǎng)與監(jiān)測(cè)設(shè)備存在的不足一直是行業(yè)難以破解的難題。

河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師朱曉璐提出一系列創(chuàng)新科技，探索了干細(xì)胞3D自組裝以及水凝膠材料內(nèi)部3D微納結(jié)構(gòu)對(duì)干細(xì)胞的力學(xué)和生物學(xué)行為的作用規(guī)律；創(chuàng)新提出了關(guān)于微型化活細(xì)胞工作站儀器的關(guān)鍵技術(shù)，形成了微型化細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

本源創(chuàng)新 科技成果新發(fā)現(xiàn)

微納生物制造技術(shù)是醫(yī)工交叉領(lǐng)域中的一個(gè)重要研究方向。多年來(lái)，朱曉璐一直從事微納生物制造等領(lǐng)域研究工作。從事如此專業(yè)性極強(qiáng)的工作，與朱曉璐的專業(yè)素養(yǎng)密不可分。他于2007年和2014年獲東南大學(xué)學(xué)士學(xué)位和博士學(xué)位，并于2011年9月至2013年12月在美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械與航空工程系、化學(xué)與分子生物學(xué)系做訪問(wèn)研究（公派）。

“對(duì)因疾病或外傷導(dǎo)致的組織器官的損傷進(jìn)行修復(fù)、組織和器官微結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵科學(xué)因素確定、以及干細(xì)胞力學(xué)及生物學(xué)特性的形成機(jī)制和控制技術(shù)等，這些都是微納生物制造技術(shù)的研究目標(biāo)。”朱曉璐解釋道。

“在自然界中，從受精卵的增殖到組織器官的形成，都涉及細(xì)胞的自組織過(guò)程，而細(xì)胞在3D自組織過(guò)程中離不開各類精細(xì)的細(xì)胞外基質(zhì)環(huán)境。水凝膠材料是一種合適的細(xì)胞外基質(zhì)材料，這也引起多學(xué)科領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。”朱曉璐坦言：“對(duì)于新型細(xì)胞外基質(zhì)材料作用規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，以及人工基質(zhì)材料的穩(wěn)定且高度可重復(fù)制備技術(shù)的研發(fā)，是擺在科研人員面前的重大課題。”

朱曉璐在所主持的國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和青年項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等的執(zhí)行過(guò)程中，通過(guò)設(shè)計(jì)制備特定的水凝膠基質(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)了組織微結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)自組織成型過(guò)程的調(diào)控；提出采用納米聚簇交聯(lián)法設(shè)計(jì)制備水凝膠，發(fā)現(xiàn)了聚簇交聯(lián)水凝膠對(duì)干細(xì)胞力學(xué)特性的影響作用和規(guī)律，并證實(shí)了其理性調(diào)控能力，這對(duì)于研究細(xì)胞與外基質(zhì)之間力學(xué)作用，以及干細(xì)胞治療過(guò)程中微循環(huán)改善等提供了新的技術(shù)路徑。此外，定量設(shè)計(jì)的聚簇交聯(lián)水凝膠由于其微觀非勻質(zhì)特性，可以支持更高的細(xì)胞遷移速度，增強(qiáng)遷移的有效支持時(shí)間段取決于合理和精心調(diào)節(jié)的微觀剛度分布，且此研究支持在生物材料領(lǐng)域廣泛適用的異質(zhì)交聯(lián)水凝膠中細(xì)胞遷移速度的合理控制。相關(guān)的成果發(fā)表于Biofabrication， Advanced Materials Interfaces， Journal of Biological Engineering等本領(lǐng)域?qū)I(yè)期刊及國(guó)際專著等。

“這些重要研究結(jié)果的發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)工交叉研究方向上啟發(fā)了自己的研究興趣并打下后續(xù)研究的基礎(chǔ)。這段經(jīng)歷也使得我開始學(xué)會(huì)如何從本源問(wèn)題上去創(chuàng)新，從而不斷的走出之前的固有思維框架；同時(shí)也盡力克服各方面困難，以己有限之力探求領(lǐng)域內(nèi)研究進(jìn)步。”面對(duì)成果，朱曉璐謙虛道。

走過(guò)艱辛探索之路，朱曉璐在學(xué)術(shù)等方面做出了卓著貢獻(xiàn)。在本領(lǐng)域國(guó)際專業(yè)期刊、中國(guó)科學(xué)E輯， 微納電子技術(shù)等及重要學(xué)術(shù)會(huì)議上已發(fā)表論文30多篇，授權(quán)發(fā)明專利31項(xiàng)，公開8項(xiàng)，主著國(guó)外學(xué)術(shù)專著1部，參編國(guó)外科技專著1部。2022年被授予國(guó)際科學(xué)組織Vebleo協(xié)會(huì)會(huì)士。2017年入選河海大學(xué)“大禹學(xué)者”計(jì)劃（第四層次）；2018年入選江蘇省科協(xié)青年科技人才托舉工程。

技術(shù)革新 實(shí)現(xiàn)微型化活細(xì)胞工作站產(chǎn)業(yè)化

“細(xì)胞培養(yǎng)設(shè)備在生物醫(yī)學(xué)及相關(guān)交叉技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為常規(guī)培養(yǎng)箱、載物臺(tái)培養(yǎng)器、籠式載物臺(tái)培養(yǎng)箱、以及活細(xì)胞工作站等形式。”朱曉璐同時(shí)表示：“目前的載物臺(tái)培養(yǎng)器還存在一些問(wèn)題：高倍鏡工作距離難以縮短以及不便于集成應(yīng)用模塊、溫度的均勻度不夠、氣體的消耗量偏多，多氣體濃度保持的穩(wěn)定性、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享及隱私保護(hù)等方面有所欠缺等。”

科研就是要面對(duì)難點(diǎn)，不斷攻克。“載物臺(tái)培養(yǎng)器存在的問(wèn)題，就是我們要攻克的難點(diǎn)。我們通過(guò)技術(shù)革新手段，對(duì)現(xiàn)有行業(yè)產(chǎn)品的功能體系進(jìn)行升級(jí)再造。這樣，不僅對(duì)我們自己實(shí)驗(yàn)室研究工作起到了支撐作用，還通過(guò)逐漸優(yōu)化，在現(xiàn)有行業(yè)市場(chǎng)中形成了獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，從而開展產(chǎn)業(yè)化工作。”朱曉璐說(shuō)。

朱曉璐帶領(lǐng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了相關(guān)面向產(chǎn)業(yè)的原位細(xì)胞觀測(cè)與分析儀器的技術(shù)開發(fā)，研制出了一套精密設(shè)計(jì)的包括載物臺(tái)培養(yǎng)器、程控?zé)晒夤忾l、各類外部激勵(lì)模式（3D基質(zhì)新材料、力學(xué)、生物學(xué)、電磁學(xué)等激勵(lì)）的可無(wú)人值守的自動(dòng)化儀器系統(tǒng)。該儀器在細(xì)胞培養(yǎng)與原位觀測(cè)分析的過(guò)程中為細(xì)胞生長(zhǎng)提供了可人工設(shè)定且可穩(wěn)定維持的微環(huán)境，為細(xì)胞體外培養(yǎng)生長(zhǎng)和組織器官再生過(guò)程提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、精細(xì)的原位觀測(cè)與控制的解決方案，其為生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工程學(xué)和藥學(xué)交叉領(lǐng)域的科研和產(chǎn)業(yè)進(jìn)步提供了一套有力的儀器工具。

“本儀器及系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請(qǐng)相關(guān)專利12項(xiàng)（已經(jīng)授權(quán)6項(xiàng)）。能夠與各類常規(guī)細(xì)胞培養(yǎng)、3D／4D細(xì)胞培養(yǎng)、生物材料界面的細(xì)胞響應(yīng)、以及小型模式動(dòng)物的研究結(jié)合；在各應(yīng)用領(lǐng)域具有普適性和更多靈活性。主要應(yīng)用場(chǎng)所包括醫(yī)藥企業(yè)或生物研發(fā)中心、高校和科研院所、醫(yī)院中心實(shí)驗(yàn)室以及交叉科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室等。”談到儀器系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，朱曉璐表示其有著許多不同行業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求。

“‘微型化活細(xì)胞工作站’是我們對(duì)升級(jí)版儀器系統(tǒng)的另一稱謂。它的功能很好地體現(xiàn)了在與活細(xì)胞實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相關(guān)的各技術(shù)領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。”朱曉璐信心滿滿地說(shuō)：“儀器可在體外構(gòu)建精準(zhǔn)、長(zhǎng)期穩(wěn)定的細(xì)胞生存／測(cè)試環(huán)境，對(duì)活細(xì)胞進(jìn)行原位的顯微追蹤成像，在明場(chǎng)或者熒光下實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活細(xì)胞的粘附、增殖、遷移等，同時(shí)進(jìn)行細(xì)胞圖像分析，由此探索細(xì)胞在所設(shè)定微環(huán)境或外部刺激下的各類行為規(guī)律。”

朱曉璐團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的微型化活細(xì)胞工作站可廣泛應(yīng)用于目前主流生物顯微鏡系統(tǒng)、體式顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡或與其他儀器結(jié)合使用，適用領(lǐng)域?qū)拸V。

一切過(guò)往，皆為序章。隨著微納生物制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，朱曉璐和他的團(tuán)隊(duì)定會(huì)給我們帶來(lái)更多的科技新發(fā)現(xiàn)。（文／張霞）

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