北京航天航空大学教授常凌乾:柔性可穿戴式生物芯片的两个关键作用

· 2019-11-04 15:30

目前柔性可穿戴式的生物芯片主要基于人体的一方面作用是用于检测,一方面是将外来性的药物导入到细胞里去。

11月1-2日,由中国国际科技交流中心、深圳市科学技术协会、深圳产学研合作促进会联合主办的“2019大湾区机器人与人工智能大会”在深圳盛大举办,向世界传递超前新思维,为产业激发空前新动能。

在“IEEE传感器理论及产业应用论坛”上,北京航天航空大学教授、博士生导师常凌乾发表了《用于单细胞传感和转染的可穿戴纳米设备》的主题演讲,并在会后接受了创客猫的采访。

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常凌乾教授接受采访

对于柔性可穿戴式生物芯片可以发挥的效用,常凌乾指出了两个部分,第一是检测,生物传感器贴在皮肤或者器官上可以检测出器官或者皮肤分泌出的某种分子,比如葡萄糖等,这种检测可以指代身体此时此刻的某种参数;另一部分是送药,比如现在治疗癌症,常规的做法就是吃药,这个药进入身体经过各个器官循环到目标癌症的区域,这种方法导致的第一个问题是在整个身体的循环过程中会代谢掉很多,一般吃的药物浓度和量是要大于这个药真正效果的十倍以上,因为有90%被代谢了,这一方面就造成浪费,另一方面是有不安全的反应。而这种局部区域的柔性可穿戴式生物芯片贴在某个部位,送的药物只是针对局部的区域,会大大提高递药的效果,也避免因为人体循环导致的不安全反应。所以目前柔性可穿戴式的生物芯片主要基于人体的一方面是用于检测,一方面是将外来性的药物导入到细胞里去。

常凌乾表示,在设计这种柔性可穿戴式生物芯片时,首先要保证的就是安全性的问题,要考虑到生物的兼容性,所以设计的材料,整个芯片上所有的模块,包括整个系统,要考虑到长期的稳定性和对人体的安全性。比如现在经常听到某种生物电子材料是可降解的,也就是说在作用的时候,或者递送到某个部位,当它工作了一段时间后,它要有效被人体给代谢掉,不留任何痕迹,没有遗留影响,不会导致炎症等问题。

说到目前柔性可穿戴式生物芯片发展的制约因素时,常凌乾认为,现在目前柔性生物医学芯片从材料、工程角度已经相对完善。但是制约生物医学芯片发展的因素比较明显,这种芯片有以上所说的两种作用,所以第一,生物传感方面的制约因素在于检测的准确性,因为柔性贴片在检测物理量的参数,比如人的心跳脉搏心率等,检测准确度比较高,但如果是检测化学物质,尤其是生物分子,比如说人体器官或者细胞分泌出来的东西,葡萄糖分子等,因为有层层关联,这对于检测的准确度,以及你怎么建立起你检测的值和真正血糖浓度值之间的算法也是非常大的一个挑战。

第二,生物芯片做送药的最大问题是,小分子的物质经皮肤或者器官进入到组织、细胞是很容易的,但是因为现有的药物越来越多,复杂大分子的药物,甚至基因药物,这种基因的物质是不可能通过正常的途径自己进入到细胞里,所以现有的递送技术只能针对小分子给它递送下去,不会针对细胞本身,因为做不到细胞的控制。“未来的发展有一个很大的挑战,或者研究方向是我们如何将这些物质经皮肤或者器官递送到细胞当中去,这也是目前技术的一个挑战难点。”

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常凌乾教授发表主题演讲

以下是常凌乾的演讲实录:

我叫常凌乾,我刚刚加入北京航空航天大学,我主要负责生物医学和纳米技术材料的研究。我今天主要演讲的话题是《用于单细胞传感和转染的可穿戴纳米设备》。

当下我们实验室主要可以分为三大类,一是关注于基因的药物,我们当下主要做的就是把它们应用到纳米材料当中,我们在里面做荧光和激光记号,很多单细胞的基因或者是分子没有办法穿入其中,我们所做的就是给它们一个动力,让他们更好穿入人体当中,这样可以把药物更好地注射到人体当中。

我们开发了一系列电子设备和技术,同时我们也打造了一些光缆的设备,然后把它们进行整合,我们做的就是进行细胞控制和操作。比如我们把这个细胞控制在某一个区域当中进行一定的管理。

第二大类就是细胞的检测和感知。比如我们把这些电子设备插入到细胞当中,然后进行监测,探测它是否会出现基因突变,看一下他们在基因当中是否出现一些病变等等。这样可以把癌细胞、肿瘤细胞、正常细胞进行对比,这样可以让我们更好区分哪些是单细胞、哪些是癌细胞。然后我们开始进行细胞纳米技术感知,我们跟正常的纳米感知部门是不太一样的,我们用了很多分子类或者聚合物类的传感器,然后看一下他们的细胞是否发生了一定的变化,看一下这些细胞是否有延伸和收缩。这样荧光记号就可以显示出来,这样我们就可以追踪荧光的标记。

第三个也就是今天会议的重点,就是我们可穿戴的皮肤装置。比如我们可以把他们运用到不同的目的当中,第一个是细胞内的基因传输,通过这个系统,我们可以把这个装置移植到皮肤当中。这样我们就可以更多地用在细胞层面的一些用途上。第二个是一些无创的生物传感器,这个传感器可以让我们以一种无创的方式去检测体内细胞、细胞和生物指标等等。

像我之前说的,我们是生物医学的研究人员,我们主要关注单细胞层面,我们是从单细胞层面开始我们的研究,因此我们今天与很多科学机构合作,他要我们去回顾一下当下的设备是否能够运用到医疗设备当中,并且是否能够监测甚至是治疗一些单细胞方面的问题或疾病,这是一个新的话题。

因为我们大家知道,当下很多医学设备他们主要是用电子,很多主要是用化学传感器,他们更多的是关注在设备和材料方面的创新。但是当我们找一系列的论文的时候,我们确实找到了一些作者的论文,他们是关注于单细胞的解决,比如左边这张图上,如果你把传感器进行最小化的话,而且你把它做到微米级别,这是跟细胞的面积和体积无法相比的。而当我们把设备进行最小化的时候,那么我们的传感器可以直接精确地控制我们的细胞里面,可以进入到细胞体内。而且它们的布局、它们的定位可以做到非常精准。如果我们可以把它们做到分子级别的话,我们可以捕捉到一些信息。

所以这样的话,它们的监测能够就可以极大提高,也就可以进行单细胞层面的信息和信号。这样我们就可以有潜力做到单细胞层面的传感器。我们刚刚说的,皮肤层面的传感器可以注射药物,然后可以把一些药物注射到我们的体内当中。但是如果我们可以精准地控制这些传感器的话,比如我们可以用一些纳米材料或者微米材料进行传感器的生产的话,我们可以真的是做到单细胞层面的药物的传感或者信息传输,比如我们可以把化学药物或者生物的要素转移到我们的体内当中。

刚刚所说的一切都是停留在转移或者传输方面,我想给大家说一下关于传感和转染方面的背景知识。我们会跟大家分享一下我们做这个的依据以及我们为什么要做这方面。还有我们会和大家说一下当下的应用场景,我们主要会把它们运用到体内,比如我们把一些注射到体内当中,把A类转成B类,用于某些疾病的治疗。第二种是用于皮肤当中,还有可以做基因编辑。

从我们的生物工程角度来说,药物的传感还有基因的传输是不太容易的,这意味着我们要跨过细胞膜,把一些物质传输到细胞内,在这个过程中可能会产生一定的排斥作用,这就让我们的药物没有办法正常地传输到细胞体内。所以我们的科学家是用了很多方式追踪体内的分子,看看它们的运转和传输路径。然后我们发现主要有三种方法,一种是病毒的方式,二是用了化学的方式,比如它们可以用人工的方式去捕捉、追踪或者把这些基因或者药物传输到体内当中,当然它们还可以用物理的方式,比如以基因枪,把生物要素注射到体内当中,而这种物理方式是最稳定的。

这是一个细胞膜的图,大家可以看一下它的构成。当你把这些生物或者医学药物注射到其中,这个细胞膜可能会重新改造,然后上面会有很多纳米孔,你可以建立一个通道,这样的话可以把这个分子或者你想注射的东西注射到其中。当然这种产品已经上市好几年了,这种技术相对来说比较简单,可以让一些毫米级的物质传输到我们的细胞体内,但是如果你想要以非常高频率的方式注射其中的话,它们的东西就可以进入到细胞体内。问题就是它是很随机的,你没办法控制哪个细胞可以进入其中,而且它的动荡性很高,不稳定,我们没有办法去控制转染的过程,也没有办法提高它的有效性。

在2011年的时候,我们尝试关注电子方面,我们也研发了一系列电转化的设备,我们让每个单一的细胞都放其中。上面就是我们的结构图,,整个电子的途径可以关注到细胞当中。我们可以通过纳米渠道进入其中,这个体系精准地进行定位,而且它可以直接把东西精准地传输到我们想要到达的地方。

这是非常棒的,它有一系列的科学研究机构共同合作完成,我们也做了一系列的工作进行描图和定位,我们也进行了一些跨界的研究,我们把一些纳米的材料放在其中。这样可以得到一些直接、便捷的管道。

在这些设备之后,我们也做了一些纳米电转化系统的应用,主要是运用到体内,我们把这个设备放在了皮上细胞当中,然后把这个纳米的渠道植入其中,通过这个我们就可以把这些基因筑舍道体内当中。所以大家看一下右边这张图,就是我们的最新研究成果,大家可以看到,我们可以通过基因导入把物质运输到上皮组织当中。通过这种方式,我们可以把一些分子移入我们体内当中,在几天之后可以成功地把皮上组织转变为神经元细胞。

如果你了解一点生物医学的话,你会发现这是2012年的诺贝尔奖的研究成果,通过体内我们进行单细胞的传感和转染,然后把A类细胞转成B类细胞,通过这些我们可以把上皮细胞转化成神经元细胞。

另外我们还做了一系列的实验研究,我们主要是用小白鼠。大家可以看到,左边的图阻碍这些血管。我们把三种物质移入局部当中,在两周之后我们可以看到这些分子可以把上皮细胞转换成其他的血管需要的分子,然后它的血液就重新流通了。而且这个可以极大地延缓组织的破坏。

我们可以看到,硅制材料的问题,我们也研发了一系列电转化材料。我们现在又发明了一些柔性纳米电传机设备,这是纳米结构,我们放在聚合物的方面,我们已经有近场通讯了,在这里我们有基因,我们运用近场通讯的电路板可以进行无线控制,可以运用你的手机,在我们的皮肤里给药,给的就是基因。我们把这种设备用切片的方式贴到皮肤上。我们的结构是基于纳米的通道、3D的结构体现的。

我们做了一些实践和做一些设备,把主要的一些药物给药到我们病灶里面。我们可以看到,在这个地区,在我们给药之后,可以看到明显有些改变,效率非常高。我们还运用设备控制进入细胞的给药的量,我们的电压用到10-20V,运用这种方式我们把另外一种药进入细胞里面,我们可以看到它整个肿瘤细胞的状况,然后把典型的基因给到我们的肿瘤当中,然后做一个改善。我们可以大大有效改善肿瘤的一些细胞。我们做了很多,比如在传感器上做了很多,我们希望能实现一些设备,能够来检测到信号,就是从单一细胞里面的信号能够检测到。在这个方面,我们主要是关注三个传感器,第一个是无创传感器,第二个是在细胞间的检测,第三个是纳米机械传感器。

说到我们的葡萄糖传感器,我们可以获取葡萄糖,把它放在细胞里,我们可以运用电穿机提取葡萄糖,进入活跃的电极上面。我们有液流通道进入腔体,我们还有三个电极系统来检测葡萄糖。我们运用其他的方式,把检测器的信号进入到血的葡萄糖里面。这是我们用的方式,把液流进入微流的腔体,进入芯片之后进入我们的设备中。

我们利用这种设备做一些试验,从早上7点到晚上7点,你可以看到我们的传感器,这是一种无创的检测,这个是有创的检测,我们可以实时追踪它的峰值,观察之后可以告诉我们血液葡萄糖的情况是怎样的,如果说你要做统计数据,跟其他没有无创设施比,我们设备是非常好的,我们的数据超过了90%。我们可以运用近场通讯进行无线通讯,可以通过近场通讯传发信号同时获得信号。

说到信号,我们还有蜂窝型散发的监测器,蜂窝能够检测到基因、能够检测到整个信号,如果说我们有基因变异的话,我们就能够追踪它,然后检测它。

这是新的DNA的设施。如果细胞有些变化,就能显示出荧光的信号。所有这些工作都是我之前的组织做的,那个时候我们有三个博士生,现在我是在我现在的大学开始做的,我们和一些学生合作,还有很多外部的合作者,他们都是来自于不同的国家和组织。非常感谢大家的聆听。