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湾区逐梦 | 王怀雨:脑洞大开,助骨科材料焕发新生

时间:2019-11-26  来源:深圳商报 袁斯茹 文本大小:【 |  | 】  【打印

  【庆祝新中国成立70周年,献礼中科院建院70周年,深圳先进院推出“引领科学风尚 传承科学精神”系列人物报道,树立先进典型,凝聚榜样力量,讲述科技工作者的精彩故事及取得的最新成果,弘扬他们胸怀祖国、服务人民的爱国精神,勇攀高峰、敢为人先的创新精神,追求真理、严谨治学的求实精神,淡泊名利、潜心研究的奉献精神,集智攻关、团结协作的协同精神,甘为人梯、奖掖后学的育人精神。】

 

  近年来,生物材料被广泛用于再生和重建损坏的人体器官、恢复人体生理功能等。但除了改进材料本身外,在材料和外部环境接触的界面上"动脑筋",其实也大有可为。中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员王怀雨就在潜心钻研生物材料的“表面工作”,尤其是骨科材料。

  目前,对于临床骨缺损治疗,首选是植入或填充人工合成的骨材料。然而术后植入材料要求能够抵抗病菌入侵、减轻机体炎症反应,以及促进最终的新骨生成,否则效果将“大打折扣”。“情况严重时甚至需要二次手术进行修正。通过对骨生物材料的表界面改性,可以‘留下对的,告别错的’,让其在患者体内更好地发挥作用。”王怀雨表示。

△ 深圳先进院医药所王怀雨研究员

  新材料:充电15分钟就能抗菌

  王怀雨团队的研究成果之一,是赋予了骨科材料“充电可达的抗菌性”。

  植入骨科材料后,预防术后感染是首要任务。据悉,现有的骨科植入材料不具备抗菌功能,病人多依赖于术后口服或注射抗生素来预防感染,会对人体产生一定副作用,且容易导致耐药菌的出现。

△ 3D打印后经过表面处理的仿生人工材料(图源:南方日报记者 鲁力)

  受细菌表面带有负电荷的启发,王怀雨与其合作者创新性地通过给骨科材料表面“充电”来达到抗菌效果:将正电荷存储在已用于临床的骨植入钛金属材料表面,与细菌表面的负电荷发生作用,来消灭细菌。“实验表明,样品只需要在2伏特电压下充电15分钟,就能通过材料与细菌之间的‘电子传递效应’,破坏细菌菌膜,将其消灭。”王怀雨介绍说,“由于不同生物体对电压的耐受度不一样,这种方法不会对体内其它细胞产生负面影响。”

  目前,这种物理抗菌方法已完成体外实验,能通过循环充放电,对大肠杆菌、绿脓杆菌等产生消杀效果。

  此外,王怀雨还分享了团队在此基础上的另一个“脑洞”:在材料植入人体后,实现体外无线充电。这样当身体发生感染,就能随时启动充电抗菌功能。

  等离子体让材料“扬长避短”

  在王怀雨对骨科材料表面功能化改性的“脑洞”之路上,等离子体功不可没。

  等离子体是一种导电体,广泛存在于宇宙中,因其处于亚稳定状态,因此常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。将骨生物材料放入等离子体中,材料表面与其反应,会产生结构或性能上的改变。利用等离子体的特性,王怀雨团队对植入材料进行优化,使得材料充分“扬长避短”。

△ 左边是未经等离子体技术处理的材料,右边为处理后的材料

  以新一代高分子基骨科材料聚醚醚酮为例。这种材料通常用于椎间融合、大段骨修复等,与传统的金属基植入材料相比,它的力学性能与人体骨骼更加匹配,能够极大地解决金属基骨科植入物在长期应用的过程中,所引起的人体自身骨骼受力不足的问题。

  “但是这种材料有个缺点,它属于生物惰性材料,植入体内后的促成骨效果不佳。”王怀雨说,“这就是‘表面工作’发挥优势的时候了。”

  据介绍,团队运用新型等离子体技术进行系列处理,能够在聚醚醚酮材料表面,构建类似骨组织的结构以及“仿生”功能,显著提高成骨效果。由于调控的只有材料表面几百纳米到几微米的厚度,其原有的优异力学性能也得以继续保留。

  提高骨科材料的成骨功能只是具体应用之一,“千变万化”的等离子体在王怀雨及其团队手中还在发挥着多重作用,比如提高骨科材料的抗感染性能、降低炎症反应,以及调整降解速度等。

  相信灵感,“万金油”潜力迸发

  王怀雨和等离子体打交道已有12年。

  2007年,正在中科院理化技术研究所攻读博士学位的他,作为客座学生,到香港城市大学等离子体实验室工作学习了两年,师从国际知名材料表界面改性专家、香港工程科学院院士朱剑豪教授,由此打开了“新世界”的大门。

  “生物材料是一门交叉学科,而朱教授的团队里有物理、化学、生物等不同专业背景的人,大家经常交流各自想法,很容易碰撞出灵感。”王怀雨说,也是自那时起,他开始与等离子体结下不解之缘。

  说起专业知识,王怀雨将自己形容为“万金油”,有药学、化学、生物、等离子体专业背景,平时也会钻研其它学科。

△ 王怀雨团队

  回忆起专注于骨科材料表界面改性的初衷,王怀雨表示,比起研发全新材料,在现有材料基础上进行改进,可以更快地走向应用,为患者减轻痛苦和规避风险。“现有材料之所以能大规模使用,说明它已是经过验证后的最优选择。比如钛合金,成骨效果和力学性能都不错,只是植入体内有5%的几率发生感染,而我们想帮患者做到100%的安全。”王怀雨说。

  2013年底,王怀雨加入深圳先进院,成立生物材料表界面课题组,并于2017年初被破格晋升为研究员,今年更获批成为国家“优青”。如今,主持多级科研项目,做研究、指导学生、主导技术转化……王怀雨说,也正因如此,潜力被激发出来了,“如果没有到深圳先进院,我想自己不会有这么快的成长,正是这里开放而不失紧张的科研氛围激励我挑战自己,而一旦展示出能力,也会在这获得更好的机会和更大的平台”。