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【交流】《科技中国》采访生物材料领军人物之一——西南交大材料学院院长黄楠教授 已有15人参与
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本文发表在《科技中国》2010年第一期。 黄楠：在研究中释放信念 刚起步做研究时只是自己跑单帮，经费紧张时就抽自己的血做实验，有风投投钱时被他拒绝，因为“现在情况还不算成熟，等一等再投吧”。他就是黄楠，一个即将解决心脏血管支架被血液凝结所纠缠的生物材料专家。 文/本刊记者 孟宪秋 2010年对西南交通大学材料科学与工程学院的生物材料表面工程研究团队来说是一个有特殊意义的年份，因为它的第一个“孩子”将诞生。含有“钛-氧薄膜”技术的血管支架的临床试验基本结束，在拿到产品许可证后就可与合作公司将批量生产上市。 作为核心人物，西南交通大学材料学院院长黄楠教授在“钛-氧薄膜”的系列研究中，起到了关键作用。“很多领导和教授出于好心劝我不要再做下去了，很有可能做下来的结果就是一事无成。但不论能不能成功我都愿意试一试，这项研究既具有重要的科学意义、重大的应用价值，又具有社会意义，值得我去试一试！” “一路走来，我最大的感触就是自主创新研究的精神最重要，当然支撑我一路走来的还是因为有高度的兴趣。” 对于研发的坎坷，黄楠对《科技中国》如此总结。 危中之机，创造的源头 1989年，西南交大材料系本科停招一年，材料系面临生存危机。当时材料系的教师们心焦如焚，聚在一起提出必须探索材料的新发展方向。从西南交大硕士毕业的年轻教师黄楠被“临危受命”被派往德国从事生物材料的研究。 作为访问学者，黄楠进入德国Erlangen大学物理系生物医学工程研究所，跟M.Schaldach教授学习。“我最先接触到的材料就是碳材料，导师和他的团队已经从事很长一段时间‘碳材料做心脏瓣膜’的研究了，导师给我的工作就是从力学的角度去证明碳材料到底能不能用于做心脏瓣膜。” 然而，满怀信心的导师被黄楠的证明结论泼了一桶冷水——这个材料不能用作心脏瓣膜的材料。虽然这个材料与人体血液的相容性很好，放入人体后不会有很大的排斥反应，但是在力学上是不过关的。“我发现在这个材料里面有非常细微的微孔和微内纹，在变形的情况下就会断裂，而且这个材料的脆性就跟玻璃一样脆。” 得出这个结论后，导师的实验也做不下去了，黄楠在德国的学期也快满了。此时，黄楠选择了回国。“其实我本来的专业就是做金属材料的，去德国是为了学生物材料，如果我想继续待下去的话，又得重回金属材料研究。” 此时黄楠回想起了在出国前系主任说的一番话：“学校把你派出去留学就是希望你从事新的方向的研究，我们材料系老是做金属材料、材料处理，没有新的方向，以后的长足发展就成了问题。” 黄楠认为学校当时是有意识的让自己找一个新的方向，如果为了留在德国而又回到传统材料的研究，就不符合学校的要求，也辜负了学校的期望，所以学习期满黄楠就回国了。 调研中寻找方向 1991年，黄楠从德国回到学校，继续从事“人工心脏瓣膜生物材料表面改性”的研究。但当时黄楠没有接着做德国的研究。原因是“这是别人做的工作，已经有的”，“在德国这么好的条件下也只是做到这种程度，我还不如重新找条路嘛”！ 但是重新找路，谈何容易！黄楠开始了在国内调研，包括医疗器械应用现状、研究情况等。没有电脑、没有助手，跑单帮的黄楠每周都有三、四天跑到华西医科大学图书馆。半年多后，黄楠经过分析后发现，用在人体内广泛用的的生物材料，尤其是金属的生物材料，主要都是钛材料，钛材料与人体有很好的相容性是由于它是惰性的，是由于它表面自然会形成一层氧化膜，这层氧化膜对增加它与人体的相容性起了重要作用。“钛表面这层惰性氧化膜为什么会增强钛与人体的相容性？是它表面的什么性质？为什么会影响？”尽管当时没有人对这个问题进行研究，黄楠满脑子装的都是这些问题。 这时，一位国外学者于1992年发表的文章给了黄楠启示，也奠定了他的研发方向。“这位学者做了一个非常有意义的实验，把钛用一种化学方法处理，这个方法叫做阳极氧化，实际上就是氧化，就是让钛表面的惰性氧化膜变厚，处理的时间不同，厚度也就不同，然后将表面有不同厚度氧化膜的钛材料，浸泡在含有纤维蛋白原和白蛋白的溶液中。” 为什么要选择纤维蛋白原和白蛋白呢？黄楠解释：“人体血液中含有的蛋白质中，纤维蛋白原是导致凝血的重要因素，而白蛋白对抑制凝血有作用。” 这个学者的实验结论表明钛材料表面的氧化膜厚度不同，其上面纤维蛋白原与白蛋白的比例也一直在变化。随着氧化膜厚度的增加，纤维蛋白原比上白蛋白的比值变小，意味着材料表面导致凝血的倾向可能变小，也就意味着钛表面氧化膜的厚度与血液的反应可能有关系。“这给我进一步的启发，以后的工作也是围绕着这个问题做下去的。” 随后黄楠进行了一系列的实验进行论证，华西医科大学愿意与黄楠合作，黄楠就在本校做好样品后到华西医科大学去做测试。“那位外国学者做的实验是在液体中进行阳极氧化，而我做的实验是在高温下进行氧化，直接测定凝血时间。发现加热的时间不同，凝血的时间也不一样，结果真的是随着加热时间的增加凝血的时间变长了，也就是说抗凝血的效果会更好，但是抗凝血的效果图是呈现抛物线状的，换句话说就是氧化膜超过了一定厚度后对抗凝血的增加作用越来越小。” 三项基金经费奠定基础 有了方向，但没有经费支持科研无法开展。1993年，黄楠凭借取得的重要发现申请到国家自然科学基金的项目经费，拿到了3万元经费。 有了钱，没有实验室和仪器、设备，黄楠随后的三年研究还是在坎坷中度过的。三年的“单打独斗”中，黄楠发现了钛材料的表面有一系列规律。“我发现膜的性质是和血液相容性密切相关的，通过人为的控制使钛形成的氧化膜要比自然状态下形成的好很多。” 在华西医科大学的帮助下，黄楠用三年的时间得到了一些初步结果，后来合作方觉得资源消耗太多，终止了合作。黄楠就在西南交通大学里借用分析测试中心的实验室，借助于分光光度计，自己搭建了一台凝血时间测试的装置。随着实验的深入，需要人血来做实验，由于买血需要花费很多经费，本来经费就紧张的黄楠，在1994、1995年一直用自己的血液进行材料试验，一点一点往前推进。 由于前三年的研究进展较突出，1995年自然基金委又给黄楠补助2万元的课题经费。 经费有了补充，可随着研究的深入，设备、条件还是跟不上，这时，经黄楠申请，学校下拨了15万元的设备费，帮助他建立基础实验室，进行检验和评价。 也正是有了稳定的实验室和助手，黄楠顺利顺利申请到第二个自然科学基金项目，经费8万元。 1997年，在此前的基础上，黄楠申请到第三个国家自然科学基金的项目。这时，他又多了一个硕士生（现已成长为教授的冷永祥）当助手。但是，一个不容忽视的问题摆也在了黄楠面前——研究所需的设备非常昂贵。 对此，黄楠和两个助手想办法借设备来做。同校物理系王家素教授的实验室有一台做薄膜的设备，可惜这台设备也很久没用了，有些故障。“王教授就说，如果你们能修好这台设备，你们就用吧！现在回想起来当时真不容易啊！”黄楠感慨。 可是，设备“很难修，老是漏气，我们非常苦恼”。冷永祥铆足劲修了四个多月，终于把设备修好了。“我们就是用这台设备开始合成氧化钛薄膜的。”黄楠回忆。 重大项目助研究提速 1997年，国家启动了“211”一期工程，投到西南交大1亿左右的科研经费，在黄楠眼里，这是一个等待多年的机遇。 连续申请到三项自然科学基金的课题项目，并且在国际上发表了有相当成果的文章，对此，黄楠得到了学校的大力支持，为他买了最需要的价值三百万元的设备。 为了处理钛表面的氧化膜，为了做材料合成，也为了能更好的使用这台设备，黄楠专门去香港城市大学学习当时最先进的材料表面处理技术。1998年10月，黄楠作为高级访问学者与德国德累斯顿Rossendorf研究中心合作研究。“用德国的设备和我的思路，把我想做的材料做出来了，效果非常好。”完成任务后，黄楠提前两个月回国了。 提前回国，黄楠为的是迎接又一个重大机遇的到来。 1999年，黄楠顺利进入到第一个“973”生物材料的课题项目组中去，获得300万元的科研经费。有了这些经费的支持，黄楠的研究开始提速。 此后5年，黄楠的团队主要研究血液相容机理.“这个机理做得非常深入，当时在国际上也没人做出来过。后来‘973’项目结题，“我们的课题是其中的亮点，专家给的评价也是非常好的，正因为如此我们在这个基础上顺利进入到了2006年至2010年的第二个‘973’课题项目中，我们在做薄膜的基础上进入到如何使薄膜表面长出人体自身的细胞，就是细胞仿生。” 2004年，国家“211”二期工程中，黄楠得到了进一步的实验设备经费，凭着国际合作中及已经购买的设备的实验中积累的经验，该团队研制了五台设备，生物材料表面改性的工作进展更为顺畅。 “造车+修路”式的研发 条件艰苦并不是黄楠在多年的研究中遇到的最大难题，对于最挠头的问题黄楠用了一个形象的比喻——我们造了车，发现没有路可以跑，结果为了让这个车有用，我们又跑去修路去了。 1999～2004年，黄楠遇到了一个急需解决的问题——首先得有瓣膜，才能应用“钛-氧薄膜”技术。因为之前所作的样品都是在国内已有的、落后的心脏瓣膜上进行的研究，如果要把这个技术应用的更好就必须有先进的、新的瓣膜。 让黄楠感到困难的是世界上最先进的国外产的瓣膜除了贵以外，还有一大缺点——很脆。“用这种瓣膜做实验，不仅昂贵，而且瓣膜上的叶片是取不下来的。如果硬取下来，瓣膜就碎了，也就是说当初安装这个瓣膜的时候就是一次性的。” 无奈，黄楠决定自己做瓣膜，但是，“瓣膜的设计我们都做好了，可是加工起来特别困难”。为此，黄楠找的很多单位都不愿意加工，最后找到一家精密模具厂，但条件是要批量生产，起码每次做一百个（每个约1万元）。在黄楠的几经协商下，最后模具厂才同意一次做50个。因为50万元“对我们来说是非常昂贵的投入了，但是模具厂给摩托罗拉供应部件利润很高，这点钱在他们眼里根本不算什么”。“在给我们做瓣膜的过程中，他们接到其它订单就会把我们的瓣膜从生产线上拿下来，赶完订单再加工我们的瓣膜。”结果，黄楠检验送来的瓣膜时，50个里面只有两个可以用。 回想起研发中的类似经历，黄楠认为，自主创造才是最重要的。接受《科技中国》采访时，黄楠所在的实验室除了一台引进的设备外，其余的真空装置都是团队自己做的。黄楠带着团队根据自己的需要造出了这些设备，不仅仅是制造，全套的设计理念、设计参数、里面的配置等很多内容都是团队提出来的，然后送到企业去加工的，他们还获得了这些设备的发明专利权。 在黄楠主持召开的两次国际会议中，外国学者参观了该实验室都十分惊讶，表示完全想不到中国会有自己的技术装备的、这么齐全的先进等离子体表面改性技术的实验室，并与该实验室建立了实质性的合作研究。 希望尽快看到产业曙光 经过18年的研发，黄楠研发的部分技术即将进入产业化。其中，含有“钛-氧薄膜”技术的心脏瓣膜已经在猪身上进行了8个月的实验，目前效果很好，没有凝血现象。 虽然心脏瓣膜的研究离产业化还有很长一段路要走，但是黄楠团队的另一个研究方向，“钛-氧薄膜”心脏支架的技术已经非常成熟了，“我们把氧化钛薄膜涂在血管支架上，做了全套支架的加工、制备，结果是显著抑制了支架导致凝血现象的发生，相对于瓣膜来说，心脏支架的进度要快许多，如今临床实验期基本上已经结束，很快就可以申报评审了，评审一通过拿到产品许可证，合作公司就可以进行批量生产上市了。预计明年年初可以实现。” 回想自己从跑单帮，到如今的8个教授、3个副教授、2个讲师、2个工程师，以及3个博后， 18个博士，40多个硕士生的科研团队。 目前，凝聚在一起的这个团队，已经成为在中国心血管生物材料与表面改性领域的一个代表性团队，在国际上也具有影响。黄楠被选为生物材料表面与界面国际会议国际委员会主席，并获得国际生物材料科学与工程联合会Fellow终生荣誉称号。 如今黄楠团队的研究已经拓展了很多方向，取得了很多值得瞩目的成绩，但是黄楠并没有就此满足，在他的心中还有很多理想想去实现，因为“钛-氧薄膜”技术虽然是核心技术但是只是一个研究方向。“我们做了很多其他研究，已经形成了一个自有知识产权的体系，申请及获得专利20余项。” 除了这些研究，黄楠还有一个理想就是希望有朝一日可以建个下游的研发机构，能更好的与企业产业化进行对接。 对于研究，黄楠投入了自己所能投入的全部精力，是一个优秀的科研工作者，但是作为丈夫，他始终怀着一份对妻子的愧疚，没有妻子的大力支持，黄楠也支撑不到现在。妻子对黄楠的支持不仅是精神上的，还身体力行帮助黄楠的研究，如经常去菜市场捡菜叶喂养实验室里的动物等。 而对于家庭，妻子更是支撑起了多半的责任。对于黄楠，妻子更是用自己的方式关心着丈夫。因为黄楠，妻子特意养成了一个在黄楠眼里的“坏习惯”——黄楠晚上不回家自己就不睡觉。因为妻子的这个“坏习惯”，黄楠再也不敢一进实验室就熬到凌晨一两点钟了，每天都晚上在实验室也不能超过12点钟回家。对于夫人的理解和支持，黄楠心存一份感激。 |
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