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精英专访

发展新型生物材料 造福天下万千病人 ——访加拿大麦吉尔大学机械工程系助理教授李剑宇

来源: 加拿大共生国际传媒  日期:2020-01-16 11:54:03  点击:12265  属于:精英专访
【加拿大共生国际传媒精英专访】 记者 胡宪

图说:202013日,李剑宇教授接受加拿大共生国际传媒专访 摄影:胡宪

   如果我说,人类在不久的将来,可以用“胶水”粘合伤口,可以用“果冻”修复骨头,可以随时随地携带止血止痛还消炎的“创可贴”……你会不会以为我在讲虚构科幻?
   但如果我说,这是麦吉尔大学李剑宇教授正在进行的科研项目,而且凭着他攻城掠地捷报频传的战绩,刚于月前入选《麻省理工科技评论》 “中国科技青年英雄榜”(MIT Technology Review Innovators Under 35 China),你是否愿意听我说说当前生物科技最令人瞩目的一道朝霞,听我介绍一位值得全球华人骄傲的青年科学家?

 
注定一生搞科研
 
   20191214日,久负盛名的《麻省理工科技评论》发布了2019年“中国科技青年英雄榜”(MIT Technology Review Innovators Under 35 China 2019),领跑全球前沿科技的3535岁以下中国精英榜上有名,瞬间成为世界焦点。笔者闻讯,找到加拿大的唯一获奖者,麦吉尔大学机械工程系助理教授李剑宇。
   李教授的获奖理由是:为满足生物医疗需求,他让生物材料更接近人体组织。

   202013日,笔者来到寒假中的麦大校园,踏着寂静的白雪,去探究定义科学的明天。
   在所有采访过的华裔教授中,31岁的李剑宇年纪最轻。198812月,李剑宇出生在福建安溪农村,父母都是中小学教员。他在校园中长大,自幼受父母督导,“我从小就知道以后要搞科学研究,就连上完大学出国留学都是早早就确定了的目标,”李剑宇告诉记者。

   走科研道路,并非父母逼迫,李剑宇对科学的浓烈兴趣似乎浑然天生。他在福建漳州一中和浙江大学高分子系求学,成绩出色而无需鞭策;本科毕业后,如期如愿考入美国哈佛大学材料与机械系硕博连读,26岁获博士学位,毫无悬念;自20152017,他在哈佛大学Wyss仿生工程研究所从事了两年博士后研究,之后应聘到加拿大麦吉尔大学机械工程系担任助理教授。

   说到专业,李剑宇娓娓道来:“我在哈佛大学读博阶段,师从美国工程院与科学院院士锁志刚,专注于开发和应用力学方法来制备具有超常力学性能的生物材料,包括一个新的水凝胶体系,取得了断裂韧性的世界纪录,及其力学理论和测试方法。比如第一次测量水凝胶的疲劳断裂韧性。

   “为了能够将这些新的方法和成果推广到临床应用,我在博士后研究阶段加入Wyss 仿生工程研究所,有幸和美国工程院与医学院院士David Mooney一同工作。我的研究侧重于设计应用生物材料于组织修复、再生医学和伤口修复。主要成果包括仿生组织胶水和伤口敷料。

   “2017年入职麦吉尔大学后,我继续研发新的具有超常性能的生物材料,用于组织修复和再生。目前的主要研究课题包括:(1)高强度生物胶水,用于手术临床替代手术缝合;(2)新型止血材料,用于凝血功能障碍和实质性脏器出血的患者;(3)关节软骨和椎间盘修复材料,治疗关节和腰椎疼痛。

   李剑宇的科研成果先后发表在国际顶级科学刊物上,包括《Science》、《Nature Reviews Materials》、《Science Advances》,《Nature Communications》和《ACS Nano》;他的研究工作被新英格兰医学杂志和多家国际媒体广泛报道,包括英国广播电台(BBC)、加拿大广播公司(CBC)、美国国家公共电台(NPR)、华盛顿邮报,也包括加拿大最大的法文报纸《La Press》。这就解释了他因何能通过层层遴选,跻身《麻省理工科技评论》中国区年轻发明家行列。

图说:20191214日,《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35颁奖典礼在北京举行(互联网图片)
 
《麻省理工科技评论》
 
   《麻省理工科技评论》1899年创刊于美国麻省理工学院,距今已有120多年,是目前世界上历史最悠久,知名度和影响力最大的科技创新类刊物,为全球超过300万科技领域的专业人士及商业领袖提供前瞻性的资讯和独到深入的行业趋势研究分析。

   自1999 年开始,《麻省理工科技评论》每年从全球选出一批 35 岁以下最具有创新性与影响力的科学家、科研工作者、科技创业者加以表彰和推广,每年都吸引来无数专家学者、管理者和投资者求贤若渴的目光。

   这一品牌活动的含金量和权威性可以通过几位往年的入选者看出。
   1999年,马克·安德森(Mark Anderson)入选,他是网景(Netscape)网络浏览器的创造者;杨致远,是雅虎的缔造者。
   2002年选出的拉里·佩奇(Larry Page)、谢尔盖·布林(Sergey Brin),创造了后来的谷歌。
   2007年选出的马克·扎克伯格(Mark Zuckberg),当时只有23岁,后来创立了脸书。
   ……
   2017 年《麻省理工科技评论》推出“中国区35 岁以下科技创新 35 人”项目,并在 2018 1 月举办了第一届年会。

图说:李剑宇教授在颁奖典礼上(图片由被访者提供)

   说到本次入选,李剑宇略显羞涩。他认为学海无涯,荣誉的取得是数位恩师导航的结果。他说:“我比较幸运。我有幸在生物材料研究最蓬勃发展的时候进入这个领域,有幸在每个求学阶段都能遇到一流的导师,例如,哈佛大学的David Mooney院士和锁志刚院士,浙大的计剑教授和港大的颜庆云教授。其中,锁志刚院士是我做研究的引路人,David Mooney院士在我决定专业方向的关键时刻,指导我从软物质的基础研究转到生物医学材料的开发和转化。”
 
“果冻”到“轮胎”
 
   笔者好奇,李剑宇本科是高分子材料,硕博是机械和材料工程,博士后转攻生物医学领域,学科交叉度颇高,但又似顺理成章。我请李教授用外行人能听懂的语言形容一下他的研究对象到底是啥。李教授不假思索地回答:大学的研究对象是高分子,也可以说是塑料;博士研究对象是水凝胶的力学行为,也可以说是研究像“果冻”一样的材料在什么情况下会断裂?它能承受多大的力及如何提高它的韧性;而博士后做的是如何把研究成果应用到医学临床。

   李剑宇致力于开发新型生物材料在医学方面的应用,“比如,人的膝盖软骨碎裂磨损,目前的解决方法只能是用塑料或钛金属替代。但由于这两种材料太硬且没有水分,用专业话讲就是人工材料与人体机能不匹配,这可能导致各种术后的问题,比如导致病人局部骨质疏松。针对这种情况,我们就要研制一种和天然软骨性能匹配的材料,而且能很好地融合到人体。

   李剑宇充分发挥自己在化学、力学和医学方面的综合优势,打开思路,大胆创新,挑战一个又一个传统方法不能解决或者解决不好的医学难题,并在这一过程中渐变或突变地完善自己。

   因为由衷热爱,所以全情投入,因为全情投入,所以不断进取。李剑宇走到了今天,绝不是一朝一夕的努力。上大学时,他曾试图从“鼻涕虫”(一种蛞蝓科陆生软体动物)身上找灵感,看它为什么能分泌黏黏的液体;他也曾研究俗称“青口”的翡翠贻贝,看它因何能依附在岩礁和船底……
   读博时,李剑宇曾经将“果冻”的韧性提高到和“轮胎”的一样,还能让“果冻”保持90%以上的含水量。
   李剑宇指出,搞科研要有主观能动性,不能光依赖导师。导师只能为你指路,不能替你走路,有的时候,你还需要另辟蹊径。2017年,他研制的新型“果冻”,性能比市面上的医用胶水高出两个数量级,或者说高出了100倍!就是因为他及时抓住了灵感和创新的机会。

   “那时有医院的合作者在开发新型的植入器件,需要贴到心脏上,可试了所有的医用粘附剂之后发现怎么也贴不上去。当时我研究的对象是跟腱修复。知道这个信息后,我立刻想到,如果给我的‘果冻’实现人体组织粘附,是不是就可以满足这个临床需求呢?我把想法告诉了导师,导师很支持,同意我把这个作为博士后研究的side project(业余项目)来做”。就这样,李剑宇成功研制出新型组织粘附剂,实现了破纪录的组织粘附强度。“新材料试出后我才发现,这是我过去十年中最重要,也最有成效的一次突破。”
   这一成果在《Science》上发表后,广受好评,美国数家大医院寻求合作,也使李剑宇的信心大增。
   “这件事让我认识到,什么是最重要的?就是和临床医生讨论。他们知道在手术中遇到了哪些难点,他们把临床需要告诉我,让我们来攻克。这就是我们科研人的价值所在和职责担当”,李剑宇说。
离目标还有多远
 
   我问教授如果把目标设为10”,你已走到了哪里?
   李教授的回答是6”。
   他说:“我们的材料已经ready(准备好)了,我们的报告已在《Science》上发表了,小型动物实验也完成了,现在需要做的就是大型动物实验了。”李教授保守估计,大概不出十年,新材料和新技术就能应用到临床。
   记者知道,相对于其他学科,包括人工智能,生物医学的应用门槛永远最高。

图说:李剑宇教授(左一)在实验室和学生在一起

   李教授带记者去实验室参观。虽然学校还在假期,但有几个中国学生正在工作。李教授介绍,他目前指导的9名博士生,3名硕士生,分别来自中国、伊朗和加拿大。一半儿是学材料和机械的,一半是学医学和生物学的,凸显交叉学科特色;他已获得不少科研经费资助,有的来自加拿大自然科学与工程研究基金(Natural Sciences and Engineering Research Council),有的来自加拿大卫生研究院(Canadian Institutes of Health Research),有的来自加拿大新型前沿研究基金(New Frontiers in Research Fund),这对一个赤手空拳、刚来两年的年轻外籍教授来说,殊为不易;他的合作者有很多外科医生,有专做椎间盘突出手术的,有专做半月板手术的;他和外省外国的一些科研机构也有合作关系,比如哈佛大学、多伦多大学、英属哥伦比亚大学等等。
   2017年年底,麦吉尔大学机械系还没有这个学科,李剑宇还是“光杆司令”一个。短短的两年,他不仅有了自己的实验室、有了充足的科研经费,还有了自己仍在扩充的精英团队。由此可以看出,李剑宇教授的项目有多么先进,多么吸睛;也可以想象李剑宇教授肩上的担子有多么珍贵,又有多么沉重!

   在实验室,我看到了传说中的“果冻”,呈翠绿色,透明、有粘性、有弹性、可伸展,拉不断。我一边把玩一边笑问:能吃吗?书生气的教授一本正经地回答:不能!还没做无毒试验,我不知学生们加了什么……

图说:李剑宇教授在实验室回答记者提问

   李剑宇教授最后说:“随着人口老龄化,在医学领域会有越来越多的挑战亟待解决,而材料创新能助力解决人类社会面临的各种挑战。我希望开发出一条龙式的新型生物材料,让它各方面的性能,不管是生物的、化学的,还是机械的,都能跟人体组织相匹配。在未来的临床技术上,能够取代手术缝合线,能够像修复牙齿一样方便地修复关节软骨和椎间盘这类的软组织,能够最大限度地解除病人的痛苦,比如,现在应对大出血的止血材料当时止住了血,但撕开治疗时,会对病人造成二次伤害。我要做的材料,不仅可以止血,还可以直接参与治疗,之后不用撕,材料本身可以被人体吸收或降解掉。解决医学难题,提高医疗效果,造福千千万万的病人。这就是我的愿景

   记者离开麦吉尔大学,带着满满的期待和自豪。

   亲爱的读者,听完我的介绍,你是不是也为风华正茂的李剑宇教授而感到骄傲?(完)



 
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