纳米芯片筑梦医疗 ——记北京航空航天大学生 - 湖南工程学院学报（社会科学版）杂志社投稿

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纳米芯片筑梦医疗 ——记北京航空航天大学生

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纳米技术已经成为21世纪的关键技术之一，推动着各个研究领域的迅猛发展。近年来，纳米科技对生物医学的影响越来越深。例如，在生物医学研究中纳米机器人可充当“微型医生”，解决了传统技术难以解决的问题。纳米技术在癌症治疗、疫苗开发、HIV治疗以及多种疾病的诊疗中也发挥着重要作用。北京航空航天大学常凌乾教授课题组长期致力于微纳米生物芯片的研究，在诸多跨学科前沿问题开展了卓有成效的研究和探索工作，在加工制备微纳米芯片、细胞微操纵技术、微纳电孔技术及其在细胞基因检测、转染、治疗等领域都取得了一定的突破。

不打无准备之仗

“科研的成功，在于努力的积累，而非幸运”，这是常凌乾经常和学生们说的一句话。2008年本科毕业后，常凌乾来到中科院电子学研究所进行生物电子学的研究，后又前往美国俄亥俄州立大学深造。经过多年的科研工作，他身体力行地诠释了这句话的真谛。

技术的革新是科研进步之本，对于生物电子研究领域，电孔技术可以将外源性基因、药物输送到细胞内，是最常用的细胞转染技术之一。常规电孔技术存在细胞损伤严重、转染效率低、转染过程随机等问题，近年来在癌细胞、干细胞研究中受到很大限制。常凌乾博士阶段接触这一技术时，就曾对攻克该难题产生过浓厚的兴趣。常凌乾不断加强自己的知识储备，与导师、合作伙伴共同探讨交流，逐步丰富自己知识的宽度与思维的深度。针对常规电孔技术的弊端，常凌乾创新性地采用微纳米加工工艺，制备出了3D硅基纳米通道阵列芯片。这项技术通过采用投影光刻和深反应离子刻蚀等工艺加工3D微纳通道结构，通过三维方向高电压对紧贴于纳米通道口的细胞安全并精确地进行电穿孔和强电泳分子输送，实现3D纳米电孔芯片对上百万细胞进行精确、无创伤转染。在设计和制备3D纳米电孔芯片中，存在和很多加工难题，常凌乾曾在长达一年半的时间里，废寝忘食，专注研究。该芯片一经问世，受到专业人士的一致好评，著名纳米专家、英国皇家工程院外籍院士、新加坡国立大学原副校长S. Ramakhrishna教授评价：“该技术是基因转染技术的革新，使大量细胞同时安全有效地转染，并保持细胞活性，使生物试剂可控地输送和释放成为可能。”

常凌乾使用纳米电孔技术将分子信标以及化疗药物定量输送到神经胶质瘤细胞内，并对其基因异质性（Heterogeneity）进行了综合分析，这是首次采用微纳米芯片在单细胞精度上综合分析活细胞基因异质性、抗药性和移动行为的研究工作。他还应用纳米电孔技术首次实现单细胞精度、基因可控地在体细胞重编码。

采用生物芯片研究癌细泡、干细胞具有重大的医学意义，他创新性地在3D纳米电孔芯片上设计整合了磁镊技术，建立了可控制磁势井位置的电磁铁系统对细胞进行移动和抓取。经过试验的论证，该操纵技术实现了80%以上抓取效率，这项科研成果已发表于纳米科学权威期刊Small上。他还提出了另一种介电泳-纳米电孔芯片技术，通过高频电场产生介电泳将细胞抓取到纳米通道上，通过优化电场频率和细胞溶液导电率，实现了70%的抓取效率。在此之后，他的课题组又继续开发更加便捷、安全的细胞微流控操纵技术。与其说柳暗花明的惊喜来自常凌乾的大胆尝试，不如说源于他坚实的知识基础的厚积薄发。常凌乾一直认为科研经历是一份宝贵的财富，无论失败与否，过程总会带给科研人员新的感悟与思考。作为科研人员要做的就是：永远做好准备，去思考，去科研。

诠释科研的真谛

常凌乾博士毕业后，即在美国大学担任Tenure Track助理教授。作为30岁的年轻教授，这在生物医学工程专业领域是比较罕见的。然而，更令人诧异的是，在事业刚起步时，他选择了辞去美国教职，回国工作，现任职于北京航空航天大学生物与医学工程学院。他认为，中国拥有更好的科研平台，科技日新月异，需要更多有理想和家国情怀的青年人回归祖国的怀抱，投身于祖国的科研建设中。对于科研，最重要的是将成果产业化，造福社会。

依托于北京市生物医学工程高精尖中心，常凌乾建立了单细胞分析纳米技术研究所，致力于研究和开发用于单细胞基因分析和治疗的微纳米芯片器件，以及重大疾病的单细胞模型构建、基因分析和治疗，真正做到利用科技造福人类。目前所有基因诊疗都是基于细胞转染技术，常凌乾所研究的纳米电孔技术虽已成型，但仍需扩展思路，发展更多的微纳米芯片用于单细胞研究。在研究新型微纳米电孔结构和物理模型的同时，更要建立低成本、可批量生产的电孔芯片的制备方法，使技术真正地走近大众。针对基因诊疗，常凌乾将致力于制备柔性电孔芯片。不同于目前柔性电子传感器发展方向，柔性微纳米电孔芯片将用于在体单细胞精度的基因转染和治疗，开拓细胞基因诊疗生物芯片新领域。通过与微电子、力学等领域研究人员的合作，优化柔性电子在机械、电等方面的性能。与医学研究人员合作，开展具有临床意义的在体生物医学研究，将研制的贴皮纳米电孔芯片高效、精准地将基因药物直接输送到目标细胞内，从而实现表皮细胞基因修复，有效地治疗皮肤病。他还将设计安全的柔性电孔系统植入并表贴于癌变器官，通过将基因药物精准地输送到癌变细胞内，并通过电场的刺激作用，实现深层次基因或药物的传递，或在体癌细胞内进行基因编辑治疗。针对癌细胞的检测，常凌乾计划进一步将高灵敏度分子或DNA传感器构建到纳米电孔芯片上，实现多功能癌细胞基因检测系统。此外，他的团队还致力于无创人体生理参数监测和系统化设计研究，如血糖、乳酸、尿酸监测芯片等。

文章来源：《湖南工程学院学报（社会科学版）》网址: http://www.hngcxyxb.cn/qikandaodu/2021/0119/561.html