第523次SKLBE学术论坛

题目：Biomaterials for Biomedical Research and Biomedical Devices: What’s coming up?

报告人：美国医学与生物工程院院士 文学军 博士，美国医学与生物工程院Fellow  Goodwin冠名首席教授 弗吉尼亚医学院/弗吉尼亚联邦大学 医工研究所

时间：2020-12-17  14:00 –

地点：实验18楼315室

主持人：曹学君教授

 Abstract

The overall goal of my research is 1) to develop safe and effective medical devices, and 2) to regenerate functional human tissues by combining the principles of biomaterial science, 3D biofabrication, biological science, stem cell biology and engineering, tissue engineering, and regenerative medicine with the advanced techniques in materials science and molecular and cell biology. The specific areas of my research cover 1) novel biomaterials and devices; 2) implant design and 3D printing; 3) stem cell biology and engineering; 4) regenerative medicine; 5) proteomics, biosensors, wireless and wearable devices, and medical imaging; and 6) in vitro and in vivo models for translational research. In this talk, I will discuss the details of several technologies from my over 100 inventions, including bioprinting technologies for tissue fabrication and drug screening, integrin recognition peptide arrays for stem cell research and tissue regeneration, antimicrobial but highly cytocompatible polymers for the prevention and control of infections, new nanomaterials for gene therapy and nanovaccination, and engineering approaches for the central nervous system regeneration, cardiovascular and lung tissue engineering, orthopedic tissue regeneration, and cancer in vivo targeting. Unique opportunities for further research will be identified in each of these areas.

文学军教授

美国弗吉尼亚医学院/弗吉尼亚联邦大学(Medical College of Virginia/Virginia Commonwealth University)  (2012-至今)

 William Goodwin首席终身席正教授（William Goodwin Endowed Chair Professor）

弗吉尼亚医学院/弗吉尼亚联邦大学 生物制造实验室 主任

弗吉尼亚医学院/弗吉尼亚联邦大学 再生医学实验室 主任

美国医学与生物工程院院士（American Institute for Medical and Biological Engineering）（2012年）。

美国国家科学基金(National Science Foundation)青年科学家成就奖（NSF CAREER），2008年。

Elsevier数据库生物医学工程领域“中国高被引学者”, 2017,2016, 2015,2014 (排第一)。

美国克莱姆森大学(Clemson University)

Hansjörg Wyss首席终身席正教授（Hansjörg Wyss Endowed Chair Professor）(南卡罗莱纳州，2012-至今)

终身席正教授(Faculty with Tenure)，(2010年-2012年)，

终身制教席 (Tenure-Track faculty)，(2008年-2010年)

2003年创建“克莱姆森大学和南卡医科大学联合生物医学工程中心(Joint Bioengineering Program between Clemson University and Medical University of South Carolina)”。

主持和参与40多科研项目，总经费超过4700 万美元。

在《柳叶刀 The Lancet》、《Progress in Polymer Science》、《Scientific Reports》、 《FASEB Journal》、《Advanced Functional Materials》、《Advanced healthcare Materials》、《Journal of Neuroscience》、《Biomaterials》等学术期刊上发表100多篇论文(影响因子25以上的3篇)。

主要研究方向：合成生物材料、天然改性生物材料、可注射型水凝胶等在骨骼系统、神经系统、心血管系统、呼吸系统、消化肝胆系统、泌尿系统、内分泌系统、口腔科、眼科、肿瘤科、妇产科、感染科、影像科、介入科、等方面的应用以及3D打印人工器官等。

主要成果介绍：

（1）利用三维快速成型技术制造的高仿生椎间盘：为目前与原生椎间盘最近似的椎间盘替代技术。该成果于2011年3月被美国麻省理工学院（MIT）Technology Review进行了专题介绍。

（2）软骨微创修复及再生技术：在国际上首次采用非细胞移植的方法，利用自体的内源性干细胞在大动物模型上实现了功能性透明软骨的再生，再生的软骨高度表达透明软骨特异的II型胶原。

（3）组织加速成熟化技术：应用目前组织工程和再生医学技术培养出来的活组织的力学性能和生化特性和天然成人体内的组织相差甚远。为了在短时间内培养出和体内组织相似的成熟组织。文学军博士开发了加速组织成熟技术。该技术可以使培养的组织在5-6个星期内达到成熟组织的生物力学性能和生化特性。目前在利用该技术开发治疗角膜软化症和圆锥角膜的产品。该技术也可以用在组织工程和再生医学的研究和技术开发方面。

（4）可降解、无毒、无刺激性的组织粘合技术：以点击化学和星状高分子为基的生物相容性优、无毒的可降解粘性止血凝胶，克服了纤维蛋白胶和合成氰基丙烯酸酯胶的缺点，包括纤维蛋白胶的免疫源性和动物源材料的批次差异性，合成氰基丙烯酸酯胶的强异物反应和组织长合效果差等问题。

（5）可降解、生物相容性优秀、不产生耐药性的高分子抗菌技术：以自然界的天然可降解的高分子材料为基材，通过化学改性，获得可降解生物相容性优秀的抗菌高分子材料。该新材料系列具有广谱、高效、持久抗菌杀菌、无细胞和组织毒性、不产生耐药性（避免超级细菌的诞生）、和环境友好的特点。文博士的技术解决了抗菌杀菌材料技术瓶颈：抗菌灭菌效果与生物相容性无法统一、兼顾的难题。

（6）塑化蛋白抑菌技术：文学军博士开发的塑化蛋白抑菌纳米涂层技术以“植物性”蛋白为原材料，经过特殊的表面涂层和处理工艺，在材料表面形成一层“纳米塑化蛋白保护膜”，该薄膜有防止细菌粘附的作用。该平台技术有广泛的应用，如涂在医疗器械表面可以防止细菌逆行感染，并避免抗生素涂层带来的耐药性问题和重金属如银涂层导致的细胞毒性问题。该技术将大大减少医疗器械植入体内导致的细菌感染，减少病人痛苦和减少因抗生素的使用而导致的超级细菌的诞生。该新技术为绿色抑菌技术，仅对细菌的贴附产生抑制，但不会对细菌进行杀灭从而不会促使超级细菌在不全杀灭中筛选诞生。该绿色抑菌技术首创和现在全球唯一。文学军博士在The Lancet国际学术会议上关于这个技术的临床应用效果和转化医学进展做了主题演讲。该技术已拿到中国药监局的批准临床使用。

（7）全合成绕圈状多肽为基础的干细胞培养技术：该技术的核心在于，用人工合成的活性多肽模拟人体组织中不同细胞外基质蛋白和生长因子结构，这些活性多肽的空间结构为独特的绕圈状，具有和细胞外基质、生长因子相同的功能，能够取代目前干细胞培养系统中的生物源性的活性成分，使干细胞培养过程中无需再添加任何动物血清、血清提取物或生长因子蛋白，只要添加这些高活性的人工合成多肽，就能支持不同种类人体干细胞（非干细胞也支持）的贴附、成活、增殖和定向分化。在此技术基础上，就得到了无需添加任何生物源蛋白的全合成干细胞培养基系统。该干细胞培养系统为最新一代干细胞培养系统，目前市场上尚无同类产品。与前几代生物源干细胞培养系统不同，该系统为纯人工合成，完全摒弃了生物源成分，所以没有前几代干细胞培养系统可能带来的细胞融合、免疫排斥反应、朊病毒感染、微生物内毒素污染等多种风险。为干细胞技术的临床应用扫清了安全性障碍，能够使干细胞相关研究成果更容易地通过监管部门的安全审核，可大大提高干细胞技术临床转化的速度。该技术可以推动中国干细胞科学研究和新技术的开发。同时促进中国干细胞的技术产业化和技术的世界领先性。

（8）脑组织再生技术：用于脑损伤和中风修复的可注射型水凝胶材料，可在无外源性干细胞移植的条件下，利用内源性干细胞实现受损区域的网络化血管重建和神经再生，在大鼠和猴子的脑损伤和脑中风模型实现功能的重建和恢复（第三方实验室确认）。该成果为国际上首次报导，并于2009年9月份受到BBC和Discovery多家主流媒体的关注和报导。

（9）用于急性脊髓损伤的微创再生技术：在大鼠动物模型上实现了受损脊椎神经的再生和修复，修复后的动物运动能力恢复的BBB评分达到10以上。率先开发微创治疗急性脊髓损伤的技术，通过微创办法在急性脊髓损伤表面铺上一层高渗透性凝胶实现预防继发损伤和促进再生的效果。

（10）高仿真人造血管技术：目前人造血管的主要原料有聚四氟乙烯、尼龙、涤纶、和天然桑蚕丝。这些人造血管产品均存在弊端：人造血管“过硬”或“过软”与原生血管存在较大的力学性能差异，则在长期植入体内后，过软的血管容易导致局部血流紊乱，继而引发血管瘤；过硬的血管，容易在与原生血管结合处导致再生性狭窄。文学军博士研发的高仿真人造血管产品，通过开发和有机结合波浪状韧性纳米纤维和直线状弹性纳米纤维得到在结构上高度仿生天然血管，具有与原生血管高度近似的生物力学行为，完全可以替代病损动脉血管；且材料安全无害，在体内可以全部降解，可作为自体血管移植术的替代技术。

（11）无毒高分子转染技术。文博士开发的转染试剂比市场上最好的lipofectamine 3000的转染效率高3-6倍，且没有lipofectamine 3000的毒性。文博士的转染试剂允许带血清培养液转染，允许同一批细胞的多次转染。转染效率和病毒转染效率相近，但没有病毒转染的副作用。

（12）3D微孔阵列技术: 文博士开发了全自动3D微孔阵列生物打印技术。采用新型超亲水性惰性生物材料，通过阵列化高通量生产设计，由自动化机器人智能操控的3D微环境均一量化体系，可在短时间内获得大量的三维微组织。其应用方向除了肿瘤个性化治疗之外，在再生医学、3D生物打印、高通量药物筛选、动物模型建立、三维细胞培养等方向有着良好的应用前景。

（13）整合素结合多肽阵列（Integrin binding peptide array）: 文学军博士开发了包含人和哺乳动物的全部16种整合素特异结合的多肽阵列, 可帮助研究人员准确、快速地鉴定干细胞所表达的整合素亚型，以进一步获得与干细胞特异结合的细胞外基质信息，进行整合素的结构和功能研究、生物力学传导研究、干细胞行为研究。