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刘昌胜:用科研创新筑起“中国的人工骨”

作者:区萱

2018/4/9 16:49:58

  “古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。”这句出自苏轼《晁错论》的话,用来形容新当选为中国科学院技术科学部院士的刘昌胜一点也不为过。

  华东理工大学材料科学与工程学院的一间会议室里,满墙的柜子里陈列着证书和奖状,见证了刘昌胜这二三十年科研之路上所取得的骄人成绩。他先后荣获国家自然科学奖二等奖、国家科技进步奖二等奖(均排名第一)、何梁何利基金科学与技术创新奖、上海市青年科技杰出贡献奖、中国青年科技奖、上海市先进工作者等奖励或荣誉称号。面对如此之多的荣誉,刘昌胜显得十分淡然,“做科研不是为了获奖和荣誉。”在他看来,科研的目标就是探索未知世界、解决关键问题、服务于社会。

  “啃书人”一圆“大学梦”

  今年50岁的刘昌胜从小有一个大学梦。他总是班里那个争分夺秒“啃”书本的人,读初三时就已经在自学和预习高中的知识。1982年,刘昌胜以远远高于重点高中的优异成绩考上大冶师范学校。在大冶师范学校学习期间,他就开始自学高等数学等大学课程。大冶师范学校每晚九点下自习,当同学们都离开教室时,还在教室学习的只有刘昌胜,并一直学习到教室熄灯后才离开。等他到了寝室,大家都在聊天、玩耍的时候,拿着书本看书的依然是刘昌胜。机遇总是垂青于有准备的人。1985年,刘昌胜即将师范毕业,湖北省属重点高校湖北大学在大冶师范学校有一个保送上大学的名额。学校为公平起见,组织了内部考试。因为各科学习扎实,刘昌胜以全校第一的成绩,拿到了唯一的进修名额,进入到湖北大学深造。

  在湖北大学学习期间,刘昌胜总是同学中起得很早,学习劲头最足的那个。1989年,他从湖北大学生物系本科毕业,1992年于华东化工学院(现华东理工大学)获硕士学位,1996年获华东理工大学化学工程专业的博士学位。从读研起,到华东理工大学材料科学与工程学院院长,再到华东理工大学副校长,华理亲切地称刘昌胜是土生土长的华理人。

  构筑“中国的人工骨”

  人体就像一辆汽车,或多或少会有一些毛病。汽车出现问题,可以修修补补,换一些零件。那么人体的骨头出现了问题,是不是也能够像零件一样换掉,或者让它重新生长呢?像换螺帽、补轮胎一样进行修补甚至换一个新的,让我们重新拥有一个健康的体魄呢?

  在读博士期间,本科有生物学背景的刘昌胜就开始了一项创新交叉学科的研究――简单地说,他为骨损受伤的病人打造可以填补缺损的“人工骨”。媒体这样形容他的专业――“泥水匠,用水泥和砖头修补损坏的建筑物;汽车修理工,用零部件修复损坏的汽车;研究生物材料的科研人员,构建合适的‘零部件’修补人体损伤的组织。”

  上世纪90年代初,国际上刚兴起人工骨的研究,当时大多用的是生物陶瓷。生物陶瓷能模仿人体骨头的成分、强度,但缺点是可塑性不强。当大家都在研究如果能够模仿出最像人骨的人工骨时,刘昌胜在思考,是不是可以独辟蹊径用生物医用材料帮助人骨细胞生长,激发人骨的再生功能,或者赋予那些在实验室里没有生命的无机材料以生命,使他们能够成为人体内有生命的组织呢?

  1993年,在华东化工学院(华东理工大学前身)留校当助教的刘昌胜一边读博士,一边开始研究“自固化磷酸钙人工骨”(CPC)。“自固化磷酸钙”是一种生物无机材料,之所以执着地选择了它,是因为他发现,人骨有一定的再生能力,但是人体却没有适合缺损骨头再生的环境。他说:“用自固化磷酸钙人工骨,可以为人骨细胞的再生提供条件,而且,当新的骨头长出后,人工骨材料还能被吸收掉。”

  无数次的实验,刘昌胜带领团队用生物工程手段制备高纯度的人骨生物活性因子,并使之与相关材料复合。这样的“生物活性水泥”植入体内后,能促进人体细胞的生长与分化,以及新骨形成。在他的实验室,可以看到白色粉末状的生物水泥,加水后调成糊状。将其注入患者骨缺损部位后,它会变得坚硬,把人体的骨骼组织连接起来。

  “这是第一步,我们称之为‘搭桥过河’;之后便要‘过河拆桥’。”别看人工骨坚硬,当人体的细胞不断生长,新的骨头长出来后,人工骨就会被人体吸收掉,也就是“过河拆桥”。

  人工骨被植入人体后,如何促进人体自身的骨头向人工骨之处,又快又好地长出来?刘昌胜带领团队用生物工程手段制备高纯度的生物活性因子,并使之与相关材料复合。这样的“生物活性水泥”植入体内后,能促进人体细胞的生长与分化,以及新骨形成。

  目前相关生物材料已在全国500多家医院广泛使用,经长达13年的临床随访,充分证明其治疗效果。他还发明了制备人骨生长因子和材料活性化的新方法,解决了用基因工程方法规模制造人骨生长因子的系列技术瓶颈,由此研制出的骨修复体于2013年获批应用于临床,为大段骨缺损及老龄患者等成骨能力弱的病人的临床治疗提供新材料,也取得满意的治疗效果。

  医工结合,创新进行时

  科研成果如何将其转化使之更好地服务整个社会,这是许多科研人员曾面临的难题。对刘昌胜来说,这也不例外。

  当他的人工骨研发出来时,因为太新了,没有机构愿意接过去进行转化。无奈之下,刘昌胜自己带着课题组的成员来推动自己的成果产业化。

  科学家和工程师乃至企业家的身份,仿佛一个硬币的两个面,要平衡好并不容易。

  当他身为科学家时,要做的研究必须超前,也许冒着巨大的风险实现天马行空的想法;但是,当成果要变成产品,尤其是医学临床的产品时,刘昌胜又得沉下心来,解决工程过程中每一个环节的细节问题,使得风险降至最低。

  为了让自己的研究的目标定位更精准、清晰,更好切合临床需求,刘昌胜的工作地点不仅在实验室、办公室,有时是“泡”在医院,与医生深入交流沟通。他说,“我们这些拥有化工和生物背景的人做生物材料研究,虽然可以做出很多‘产品’,但是否能与临床结合,是不是医生所需,这中间有个缺口。而这个缺口需通过医工紧密结合去填平,只有我们去和医生进行交流,了解他们的需求,并把之转化为科学问题和关键技术问题进行攻关解决来实现。”

  他印象最深的是最初与上海中山医院陈中伟院士合作时,老先生带着他在全国各地跑,与医生进行交流、做报告。对刘昌胜来说,那些年的经历是最好的锻炼,对其科研成果转化推广也起到了很大的帮助。“科研成果要服务于应用,需要接力棒的层层传递。一旦下一棒接不上了,身处上游的科研人员应主动跨前一步,填补脱节的环节,才能实现成果的转移,也才能让成果凸现价值,最终实现科研工作的初心。”这是他对科研成果的推广应用和产业化的独到理解。

  动物实验和临床研究表明,刘昌胜团队与上海中山医院合作研制出的人工骨,具有塑型准确、自行固化、生物相容性好、降解吸收等特性,集新材料、生物技术与纳米技术于一体,在骨科、脊柱外科、口腔科等领域都取得令人满意的治疗效果,实现了植入的无生命材料向人体内有生命组织的转化。

  “其实工程环节问题也存在科学问题,要用科学方法解决。但是不能用搞科研的思维和运作方式去做成果转化。”刘昌胜的科研成果转化之路并非一帆风顺。当时公司产出一批产品,在上海临床用得很好,但是运到广州却发现不一样了。原来是产品包装材料选择不科学,在运输过程中,由于气温升高和湿度增大使得产品质量受到影响。

  “这些问题,都需要我自己一一解决。开始把成果推向产业化时,感觉到几重困难的叠加,但一想到临床上那么多病人在等着合适的产品去治疗,再难也得想方设法解决。”科学研究讲究的是本质规律与基本原理,而技术创新则讲究创造性、集成性、重复性、放大性和经济性。“科研成果要服务于应用,需要接力棒的层层传递。一旦下一棒接不上了,身处上游的科研人员应主动跨前一步,填补缺口,推动成果的产业化,最终让成果凸现价值。”

  如今肩负副校长重任的刘昌胜,每天从早上8点多到学校开始工作,一直到晚上近11点回家,每一分钟于他而言都非常宝贵。现在的他主要工作之一是培养年轻人从事基础科学研究。“现在我们国家不少研究已处于并跑到领跑的‘换档期’。基础研究,作为创新的源头,尤其重要。”科研的最大魅力就是探索未知的世界,刘昌胜最大的欣慰,也许是在未来能培养出一批又一批矢志科学、服务社会的科技工作者来。