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健康界發布時間：07-0918:53來源：思宇研究院官方皮膚是人體面積最大的器官，可以保持人體水分平衡，并作為第一道防線抵抗外界細菌入侵。前言皮膚是人體面積最大的器官，可以保持人體水分平衡，并作為第一道防線抵抗外界細菌入侵。皮膚上豐富的感受器官讓我們可以感知冷熱干濕，疼痛壓力，此外，皮膚還具有柔軟、可拉伸、自我修復等多種特性。隨著材料科學、生物工程和電子信息等科學的飛速發展以及人們出于追求美觀和功能等原因對人造皮膚需求的持續增長，越來越多的科學家將研究目光投向了這一領域。今天我們就來認識一下兩位在科研圈乘風破浪的學術大牛和他們在人工皮膚領域的研究和成果轉化。一、羅伯特·蘭格 ，“最會賺錢的科學家”羅伯特·蘭格（Robert Langer）是麻省理工學院（MIT）的學院教授（擔任學院教授是MIT授予的最高榮譽），他集科學家、發明家、企業家、教授等多重身份于一體，在醫學、化學、藥學、生物學、工程學等多領域發展。自幼就很喜歡化學的羅伯特·蘭格選擇在康奈爾大學學習化學工程學，畢業之際，蘭格雖然手握幾家頂級化工廠的工作邀請，但他卻對此沒什麼興趣。他決定申請MIT化學工程專業，繼續深造學習。 蘭格在MIT攻讀博士學位時，美國經歷了嚴重的石油短缺，美國工業界急切地尋求提高燃油生產效率的方法，對化學工程師的需求量很大。博士畢業找份體面的工作根本不成問題，蘭格也收到了殼牌和雪佛龍等石油巨頭發出的近20份的工作邀請，但他對獻身于石油產業似乎不感興趣，他心中理想的工作是能夠為人們提供直接的幫助，例如在醫學領域進行博士后研究。懷抱著這份初心，蘭格聯系了波士頓兒童醫院的外科主任、哈佛大學的醫生——猶大·福克曼。福克曼認為化學工程師或許能在發掘新型抗腫瘤藥物中幫上忙。就這樣，蘭格“跨界”成功，開始了用工程技術解決醫療問題的科研旅程。跨界后的蘭格學術成績斐然，他在科學期刊上發表了1500篇以上的文章。他在全球擁有1,360多個已發布和正在申請的專利，這些專利已許可或再許可400多家制藥、化學、生物技術和醫療設備公司使用。根據Google學術搜索計算，他的H-index為272，引用次數總計超過304,000次，是歷史上被引用次數最多的工程師。蘭格獲得過220多個主要獎項，其中包括備受矚目的千禧技術獎（被譽為科技界的諾貝爾獎）和伊麗莎白女王工程獎。43歲時，他已成為美國三大學院——美國國家醫學院、美國工程院和美國國家科學院，有史以來最年輕的院士，還曾于1999年至2002年擔任FDA科學委員會主席。蘭格不僅擅長學術創新，他對知識成果的商業轉化也做到近乎完美。迄今為止，參與創建40多家生物科技初創公司，包括Living Proof（美容產品），Moderna（專注RNA藥物，今年5月下旬，其新冠疫苗臨床試驗被宣布大獲成功）， Sigilon Therapeutics（細胞治療），公司已募集基金總計超過20億美元。二、羅伯特·蘭格開發的“第二層肌膚”2016年蘭格教授等人在Nature Materials上發表了一篇文章，介紹了他們發明的一種新材料。這種材料宛如人的“第二層皮膚”，可以貼合人體的皮膚并臨時改善皮膚彈性，使肌膚更加緊致，讓人瞬間恢復青春，并且保持時間可長達16小時。這種神秘的材料實際上是一種有機硅聚合物，被稱為XPL(crosslinked polymer layer)，它涂抹在皮膚上后會形成一個極薄且透明、幾乎不可察覺的膜層，如同健康年輕的皮膚。在人體試驗中，研究者們發現，這種材料能夠消除眼袋，且保濕能力頗佳，甚至可防紫外線，而且不怕水洗。而為了找到這種材料，該研究團隊花費了數十年的時間，構造了上百種含有硅氧烷結構的聚合物，并對它們一一做了測試，最終才找出其中能夠最完美地模擬健康皮膚外觀、強度及彈性的XPL。研究者們設想，這將是一種具有廣泛應用潛力的材料技術。除了給臉上做個“臨時拉皮”以外，鑒于這層膜阻止水分流失的作用，它或許還能替代那些厚重油膩的藥膏，用在濕疹等皮膚問題當中。通過調節配方，膜材料的性能也能進行調整，以適應更多場合的需要，如被用于治療濕疹或其他皮膚病，以及作為藥物載體進行透皮給藥。該團隊的測試結果顯示，即使將該材料拉伸至原來的250%以上，也能很輕松地回復到初始狀態。而天然皮膚最多只能拉伸至原來的180%，超過這個值就回不去了。與目前用于處理皮膚傷口的兩種敷料硅膠和PU膜相比，這種新材料的彈性明顯高出一籌。研究者們在幾項試驗中測試了這種彈性膜材料的安全性與效果。他們在受試者的下眼瞼、手臂和腿部干燥皮膚上分別進行了測試。結果發現，這種材料對皺紋和眼袋部位的外觀起到了明顯的改善作用。普通的水沖和清洗不會把它弄掉。除此之外，它也能在皮膚局部保持水分。不光是皺紋和眼袋的問題，當皮膚衰老后彈性會變差，當用手輕掐皮膚的時候，會發現皮膚甚至很難迅速恢復平整，而這款神奇的皮膚把也解決了這個問題，并且只用了3秒鐘。相比之下，沒有經過任何處理的衰老的皮膚并未在這段時間內恢復。而且在這兩個實驗中，12名志愿者都沒有出現過敏或者其他的不適感。皮膚保護功能提升的臨床數據以及在干燥皮膚上保濕性的研究結果表明，與市場上銷售的各種保濕護膚品相比，這種材料的保濕效果更好，就像又多了一層皮膚且所有的受試者均未出現過敏現象。蘭格隨后創立了專注于生物技術在皮膚科學領域應用的公司Olivo，用于XPLTM“第二層肌膚”技術的商業推廣。Olivo的專利方法可創造具有透氣性、彈性及近乎不可見的人造肌膚，帶來之前的傳統化妝品甚至整容手術都無法企及的諸多優勢。2018年，資生堂宣布收購Olivo，將Olivo的創新技術與資生堂的研發能力相結合，為開發能夠即時和顯著提升效果的護膚和防曬產品鋪平了道路。資生堂CEO Masahiko Uotani表示：“Olivo突破性的‘第二層肌膚’技術將加入資生堂業已成熟的創新資產組合。我們期待歡迎Olivo的新同事加入資生堂，期盼Langer博士發揮自身專長，與資生堂攜手重塑美妝行業，創造適合每位顧客特點和個人美容理想的新產品。”蘭格表示：“我們利用科學尋求突破和解決問題。我們能夠真正利用新型生物材料解決普遍問題并創建新的平臺。資生堂為我們繼續執行這一使命，進一步展示XPL平臺多重能力提供了令人興奮的機會。我們期待在一系列不同應用領域解鎖XPL第二層肌膚技術的巨大潛力。”隨著美妝專用技術不斷發展，對于資生堂這樣的企業而言，在創新和產品開發方面采用外部觀點變得越來越重要。通過與蘭格團隊這樣的科學研究領袖合作，將使得最新的科學技術應用到美妝領域成為可能。三、鮑哲南，“科研女神”鮑哲南，斯坦福大學化學工程學院院長（第一個在斯坦福當院長的華人女性），2016年當選美國國家工程院院士。1970年，鮑哲南出生于南京一個知識分子家庭，父母是南京大學物理系與化學系教授。在家庭氛圍的熏陶下，她開始對科學產生了興趣，并以優異的成績考入南京大學化學系。大二時便進入實驗室，在那里第一次接觸到了高分子化學研究。于是，鮑哲南開始邊打工邊申請學校。半年后，她被伊利諾伊州州立大學錄取了。憑借出色的成績，鮑哲南很快被一位芝加哥大學的華人教授發現，并破格錄取她作為自己的研究生。 這個時期高分子化學研究剛剛起步，這位教授是芝加哥大學第一個、也是當時學校唯一一個研究這個領域的人，因此，鮑哲南在這個學科初創時期跟著導師做了很多前沿性研究。博士畢業后的鮑哲南破格獲得了在貝爾實驗室的研究員崗位工作。在貝爾實驗室工作的八年期間，她研發了世界上第一款柔性電子紙，為后來人造皮膚打下了基礎。2004年，鮑哲南進入斯坦福大學任教，此時她從事柔性電子的研究已有8年時間，并且有了很多研究成果。而她的夢想是，做一項可以觸動每個人的生命的研究。一個偶然的機會，鮑哲南在斯坦福遇到一位研究機器人的教授，聊天中，教授抱怨現在的機器人最大的問題是缺乏感知。這給鮑哲南一個啟發，自己作為高分子化學的專家，為什麼不研究一種有感知的皮膚呢？這樣，不但可以讓機器人有感知，還能讓斷了手臂的人重新獲得觸覺。十年后，這個偉大的想法就被鮑哲南變成了現實。四、鮑哲南開發的人造皮膚像“一頁紙那么薄”2015年的《Science》雜志上，以鮑哲南為首的研究團隊，向大家展示了一種新的神奇技術：利用碳納米管、有機電子材料和光控基因技術等前沿科技的整合，他們研發出了一種新型人造皮膚，可以響應壓力變化，并可以向神經細胞發送信號，更接近人皮膚觸覺的真實機制。這是第一種能夠感知壓力并與大腦溝通的柔性人造皮膚，距真正像人類皮膚的柔性人造皮膚“更近一步”。這種微結構電阻式壓力傳感器人造皮膚像“一頁紙那么薄”，可以分為兩層，外層是可以感知壓力的傳感器，由塑料材料加上碳納米管制成；內層是由噴墨打印機印刷出的柔性電子電路，可以把壓力信號改變成電信號并傳遞給大腦。 鮑哲南說，壓力傳感器的一個難點就是感知微小力量，而他們開發的人造皮膚連一粒大麥、一小粒食鹽、一只蝴蝶造成的壓力都可以感知。其工作原理是壓力越大，與電極的接觸面積越大，從而導電性能越好，借此可感知壓力的變化。每個傳感器都被連接到了由有機材料打印的柔性電路板上。該柔性電路板將傳感器產生的壓力信號轉換成一系列的電脈沖，并根據壓力的增加，而提高響應脈沖的頻率。鮑哲南的團隊和斯坦福大學Karl Deisseroth團隊合作，將傳感器帶來的電脈沖轉換為發光二極管（LED）的藍光脈沖，并通過光纖傳輸到小鼠的大腦切片。結果顯示，大腦切片中的神經細胞可通過一種叫做離子通道視紫紅質的轉基因蛋白吸收光信號，并將其轉化為神經的電信號，從而完成神經信號的傳遞。該工作“以前所未有的水平模仿人類皮膚的功能，是人造皮膚材料發展的一個重要的進步，”加州大學伯克利分校研發電子皮膚的專家Ali Javey說。“這可能對更智能假肢的發展具有重要的意義。”“這僅僅是研發全面集成的人造皮膚的初步階段，”鮑哲南說。她的團隊接下來希望能夠模仿人類皮膚的其它傳感功能，如感受熱的能力，并將它們整合到這個新的人造皮膚的技術平臺。這種 “一頁紙那么薄” 的人造皮膚研究，讓鮑哲南被選入《自然》（Nature）雜志2015年度對全球科學界產生重大影響的十大人物，2017年獲年度“世界杰出女科學家獎”。2018年，鮑哲南團隊在這一領域再次做出重要突破。他們首次成功開發出可以量產的高密度、高靈敏度、可拉伸晶體管陣列，平均每平方厘米的尺寸中就有347個晶體管。晶體管的平均載流子遷移率與非晶硅相當，在經歷1000次100%應變后，也只有輕微變化。研究人員將這種可拉伸晶體管陣列粘在人手上時，器件并沒有因為皮膚表面的不規則和變形而受到影響，測試效果依然非常好。作為一個仿真電子皮膚，分辨率達到每2毫米1個傳感器，上面放置一個與真實大小相仿的小瓢蟲玩具，其位置可以被精確探測。而且，佩戴者沒有任何不適感覺，感覺像是“第二層皮膚”一樣。同時該研究也提出了一種大規模生產柔性可拉伸電子器件的方法，為電子皮膚今后的商業化提供了可能。相關成果已發表在Nature 雜志上。“對人造皮膚和柔性電子產品的研究已經取得了很大的進展，但直到目前為止，還沒有一個可行的生產大面積可拉伸電路的方法。”鮑哲南教授說。而該團隊發展的這種可規模化生產的策略，采用電子工業的常規技術，已經成功地制備出4.4×4.4平方厘米的可拉伸晶體管陣列，器件均一性、產率、產品的電學和機械性能都很出色，將對電子設備的發展帶來革命性的改變。同年，鮑哲南教授和首爾大學 Tae-Woo Lee 教授、南開大學徐文濤教授團隊宣布聯合研發出一種人造感覺神經（也可稱為人造傳入神經），能夠以類似于生物神經的方式發揮作用，感知觸摸過程并與其他神經溝通，該論文發表在《Science》上。該感覺系統已經能夠感受方向、傳遞信息和識別盲文。此外，該系統將能夠幫助人造皮膚實現更接近生物體的觸覺。基于目前實驗室的技術，鮑哲南已經在硅谷創辦了兩家公司，并成功拿到了風險投資。如今兩個公司員工加起來有60人左右，擁有100項專利。在2019年對鮑哲南的訪談中，她表示關于該人造皮膚的產品已準備進入臨床醫學研究。五、學術創新與商業轉化有機結合回看羅伯特·蘭格和鮑哲南教授的經歷，我們可以發現他們在各自的科研領域均做到了極致，相應的成果均經由學界同行評議并證實可行，并且在技術平臺成熟后均抓住時機，著手于相應技術的商業轉化。以上兩點為他們實現產學研的成功結合打下了堅實的基礎。如今，大學與生物技術公司之間的界限早已變得模糊。大量生物技術公司的創始人就是大學教授，他們在大學中發明了技術，建立初創企業從大學獲得技術許可。這些公司不僅與大學保持聯系，在研究項目上與學校教職員工和博士后密切合作，有時甚至直接使用大學實驗室。這樣的發展模式形成了一個良性循環：通過建立公司，將科學推向市場，通過資本的力量，助力新技術的探索開發。這樣良性的運作機制不僅將能將知識產權貨幣化，還能讓創新技術能真正服務社會，幫助有需要的人。結語科研的意義不應該只停留在學術論文的發表，如何將研究服務于社會是每個科研工作者在埋頭鉆研的同時應該思索的，如何實現二者的有機結合，羅伯特·蘭格和鮑哲南教授成功的學術轉化經驗值得我們借鑒學習。舉報反饋

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