今日视点：以创新作答微纳生物科技之问——记河海大学机电工程学院副教授、硕士生导师朱晓璐

随着微纳技术和生命科学的发展，面向组织工程与再生医学的微纳生物制造技术引起国际社会高度关注，也引得无数科研工作者探索其深层奥义。但是，对于其所蕴含的基础规律、控制方法及相关工程技术，尤其是国际上常用的微型化细胞原位培养与监测设备存在的不足一直是行业难以破解的难题。

河海大学机电工程学院副教授、硕士生导师朱晓璐提出一系列创新科技，探索了干细胞3D自组装以及水凝胶材料内部3D微纳结构对干细胞的力学和生物学行为的作用规律；创新提出了关于微型化活细胞工作站仪器的关键技术，形成了微型化细胞培养设备的产业化应用。

本源创新 科技成果新发现

微纳生物制造技术是医工交叉领域中的一个重要研究方向。多年来，朱晓璐一直从事微纳生物制造等领域研究工作。从事如此专业性极强的工作，与朱晓璐的专业素养密不可分。他于2007年和2014年获东南大学学士学位和博士学位，并于2011年9月至2013年12月在美国加州大学洛杉矶分校机械与航空工程系、化学与分子生物学系做访问研究（公派）。

“对因疾病或外伤导致的组织器官的损伤进行修复、组织和器官微结构形成的关键科学因素确定、以及干细胞力学及生物学特性的形成机制和控制技术等，这些都是微纳生物制造技术的研究目标。”朱晓璐解释道。

“在自然界中，从受精卵的增殖到组织器官的形成，都涉及细胞的自组织过程，而细胞在3D自组织过程中离不开各类精细的细胞外基质环境。水凝胶材料是一种合适的细胞外基质材料，这也引起多学科领域的广泛关注。”朱晓璐坦言：“对于新型细胞外基质材料作用规律的发现，以及人工基质材料的稳定且高度可重复制备技术的研发，是摆在科研人员面前的重大课题。”

朱晓璐在所主持的国家自然科学基金面上项目和青年项目、江苏省自然科学基金项目等的执行过程中，通过设计制备特定的水凝胶基质材料，实现了组织微结构的动态自组织成型过程的调控；提出采用纳米聚簇交联法设计制备水凝胶，发现了聚簇交联水凝胶对干细胞力学特性的影响作用和规律，并证实了其理性调控能力，这对于研究细胞与外基质之间力学作用，以及干细胞治疗过程中微循环改善等提供了新的技术路径。此外，定量设计的聚簇交联水凝胶由于其微观非匀质特性，可以支持更高的细胞迁移速度，增强迁移的有效支持时间段取决于合理和精心调节的微观刚度分布，且此研究支持在生物材料领域广泛适用的异质交联水凝胶中细胞迁移速度的合理控制。相关的成果发表于Biofabrication， Advanced Materials Interfaces， Journal of Biological Engineering等本领域专业期刊及国际专著等。

“这些重要研究结果的发现，在医工交叉研究方向上启发了自己的研究兴趣并打下后续研究的基础。这段经历也使得我开始学会如何从本源问题上去创新，从而不断的走出之前的固有思维框架；同时也尽力克服各方面困难，以己有限之力探求领域内研究进步。”面对成果，朱晓璐谦虚道。

走过艰辛探索之路，朱晓璐在学术等方面做出了卓著贡献。在本领域国际专业期刊、中国科学E辑， 微纳电子技术等及重要学术会议上已发表论文30多篇，授权发明专利31项，公开8项，主著国外学术专著1部，参编国外科技专著1部。2022年被授予国际科学组织Vebleo协会会士。2017年入选河海大学“大禹学者”计划（第四层次）；2018年入选江苏省科协青年科技人才托举工程。

技术革新 实现微型化活细胞工作站产业化

“细胞培养设备在生物医学及相关交叉技术领域有着广泛的应用，主要表现为常规培养箱、载物台培养器、笼式载物台培养箱、以及活细胞工作站等形式。”朱晓璐同时表示：“目前的载物台培养器还存在一些问题：高倍镜工作距离难以缩短以及不便于集成应用模块、温度的均匀度不够、气体的消耗量偏多，多气体浓度保持的稳定性、远程数据共享及隐私保护等方面有所欠缺等。”

科研就是要面对难点，不断攻克。“载物台培养器存在的问题，就是我们要攻克的难点。我们通过技术革新手段，对现有行业产品的功能体系进行升级再造。这样，不仅对我们自己实验室研究工作起到了支撑作用，还通过逐渐优化，在现有行业市场中形成了独特技术优势，从而开展产业化工作。”朱晓璐说。

朱晓璐带领学生团队进行了相关面向产业的原位细胞观测与分析仪器的技术开发，研制出了一套精密设计的包括载物台培养器、程控荧光光闸、各类外部激励模式（3D基质新材料、力学、生物学、电磁学等激励）的可无人值守的自动化仪器系统。该仪器在细胞培养与原位观测分析的过程中为细胞生长提供了可人工设定且可稳定维持的微环境，为细胞体外培养生长和组织器官再生过程提供实时动态、精细的原位观测与控制的解决方案，其为生命科学、医学、工程学和药学交叉领域的科研和产业进步提供了一套有力的仪器工具。

“本仪器及系统的相关技术已经申请相关专利12项（已经授权6项）。能够与各类常规细胞培养、3D／4D细胞培养、生物材料界面的细胞响应、以及小型模式动物的研究结合；在各应用领域具有普适性和更多灵活性。主要应用场所包括医药企业或生物研发中心、高校和科研院所、医院中心实验室以及交叉科学研究实验室等。”谈到仪器系统的应用场景，朱晓璐表示其有着许多不同行业领域的市场需求。

“‘微型化活细胞工作站’是我们对升级版仪器系统的另一称谓。它的功能很好地体现了在与活细胞实时动态监测相关的各技术领域的实用价值。”朱晓璐信心满满地说：“仪器可在体外构建精准、长期稳定的细胞生存／测试环境，对活细胞进行原位的显微追踪成像，在明场或者荧光下实时监测活细胞的粘附、增殖、迁移等，同时进行细胞图像分析，由此探索细胞在所设定微环境或外部刺激下的各类行为规律。”

朱晓璐团队所研发的微型化活细胞工作站可广泛应用于目前主流生物显微镜系统、体式显微镜、激光共聚焦显微镜或与其他仪器结合使用，适用领域宽广。

一切过往，皆为序章。随着微纳生物制造技术的不断创新和发展，朱晓璐和他的团队定会给我们带来更多的科技新发现。（文／张霞）