Alice White 教授在 3D 打印和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的研究歷程

制造極其精細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)，并在未來(lái)某天利用這些結(jié)構(gòu)拯救生命，這就是 Alice White 教授從事的事業(yè)，她是 3D 打印和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。在 Alice White 長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的職業(yè)生涯里，她始終對(duì)創(chuàng)新充滿(mǎn)熱情，一直在波士頓大學(xué) (BU) 進(jìn)行研究，利用她豐富的經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步并激勵(lì)下一代工程師。



職業(yè)生涯的開(kāi)始

Alice White 的職業(yè)生涯始于著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是一家研究機(jī)構(gòu)，以晶體管和信息理論等突破性發(fā)明而聞名。自 1925 年以來(lái)，貝爾實(shí)驗(yàn)室一直是創(chuàng)新的燈塔，塑造著電信及其他領(lǐng)域的未來(lái)。


△ 貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Alice White

Alice White 在貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了 30 年的研究，她一路晉升成為首席科學(xué)家，致力于光子學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的革命性項(xiàng)目。盡管貝爾實(shí)驗(yàn)室享有盛譽(yù)，機(jī)遇無(wú)限，但懷特的追求不止于此。她希望將自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)與更廣泛的使命相結(jié)合：成為女性在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中的榜樣和倡導(dǎo)者。這種對(duì)更大影響力的渴望使她走向了學(xué)術(shù)界，她相信自己可以利用自己的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)鼓勵(lì)更多女性從事工程和物理學(xué)專(zhuān)業(yè)。

從產(chǎn)業(yè)界到學(xué)術(shù)界


2013 年，Alice White 離開(kāi)了貝爾實(shí)驗(yàn)室，轉(zhuǎn)入學(xué)術(shù)界，加入波士頓大學(xué)工程學(xué)院。在這里，她面臨著從零開(kāi)始的挑戰(zhàn)——沒(méi)有實(shí)驗(yàn)室、沒(méi)有設(shè)備、沒(méi)有建立網(wǎng)絡(luò)。但她的決心和遠(yuǎn)見(jiàn)很快將這塊白板打造成了一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究中心。2014年，她創(chuàng)立了多尺度激光光刻實(shí)驗(yàn)室，配備了 Nanoscribe 3D 打印機(jī)來(lái)開(kāi)發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

她學(xué)術(shù)生涯中的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻是與波士頓大學(xué)生物設(shè)計(jì)中心創(chuàng)始主任、懷斯研究所 3D 器官工程計(jì)劃聯(lián)合負(fù)責(zé)人 Chris Chen 教授合作。Chris Chen 教授對(duì)干細(xì)胞機(jī)械性能的研究激發(fā)了 Alice White 的一個(gè)想法：利用自己在制造方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)來(lái)創(chuàng)建模擬身體狀況的 3D 環(huán)境。這促使她與 Chen 合作，使用 Nanoscribe 打印用于組織工程的微小、復(fù)雜的支架。她通過(guò)直接激光寫(xiě)入技術(shù)利用雙光子聚合開(kāi)發(fā)細(xì)胞支架，從而可以精確創(chuàng)建能夠影響細(xì)胞行為和組織形成的 3D 結(jié)構(gòu)。


△ Alice White 教授與博士后 Matthias Imboden 交談

學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)

Alice White 使用 Nanoscribe 3D 打印機(jī)所做的工作具有革命性意義。借助 Nanoscribe 3D 打印機(jī)，她能夠以令人難以置信的精度創(chuàng)建比人體細(xì)胞還小的結(jié)構(gòu)。例如，她的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種“膨脹”支架，當(dāng)在多個(gè)方向上垂直壓縮時(shí)，該支架會(huì)橫向收縮，這在傳統(tǒng)材料中并不常見(jiàn)。這項(xiàng)創(chuàng)新對(duì)于醫(yī)療設(shè)備中的微型泵（或 miniPUMP）等應(yīng)用至關(guān)重要。

Nanoscribe 的多功能性不僅限于打印支架。Alice White 的實(shí)驗(yàn)室還用它來(lái)制作靈敏的流量閥、用于刺激周?chē)�神�?jīng)的納米夾，甚至還用它來(lái)制作操縱微型磁鐵的定制鑷子。


△ Nanoscribe Photonic Professional GT 納米打印機(jī)

Alice White 還探索了將 3D 打印與微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 相結(jié)合的可行性。她展示了如何將 3D 微打印與 MEMS 相結(jié)合，以產(chǎn)生對(duì)醫(yī)學(xué)成像和組織工程應(yīng)用至關(guān)重要的動(dòng)態(tài)、可變形微結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新方法允許創(chuàng)建可定制的功能性微組件，這些微組件可以直接集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。

Alice White 表示：“得益于 Nanoscribe 工具的設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)室成員們可以突破極限，制造出極其靈活的關(guān)節(jié)和其他復(fù)雜部件。對(duì)于研究和實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這是一款絕佳的工具。工作中最令人興奮的方面之一是有可能為醫(yī)療植入物制造可生物降解的支架。這些材料可以隨著時(shí)間的推移在體內(nèi)溶解，這對(duì)于開(kāi)發(fā)安全有效的植入物至關(guān)重要�！�


△ 研究生在 Alice White 的實(shí)驗(yàn)室中使用 Nanoscribe

引領(lǐng)潮流

在與波士頓大學(xué)、密歇根大學(xué)、哈佛醫(yī)學(xué)院和其他機(jī)構(gòu)合作開(kāi)展的 CELL-MET（美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)細(xì)胞超材料工程研究中心）項(xiàng)目中，Alice White 的研究對(duì)推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展至關(guān)重要。作為聯(lián)合首席研究員，她專(zhuān)注于創(chuàng)造功能性心臟組織以應(yīng)對(duì)心臟病，主要目標(biāo)是利用患者自身的干細(xì)胞開(kāi)發(fā)心臟補(bǔ)片，這種補(bǔ)片能夠修復(fù)受損的心臟組織，而不會(huì)產(chǎn)生排斥風(fēng)險(xiǎn)。懷特在 CELL-MET 的項(xiàng)目由她的實(shí)驗(yàn)室和 Chen 在波士頓大學(xué)的組織工程實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合開(kāi)展。Alice White 表示：“項(xiàng)目目標(biāo)是制造能夠替代或修復(fù)受損心臟組織的功能性補(bǔ)片。這是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但其潛在影響是巨大的。這些補(bǔ)片有可能恢復(fù)心臟功能并改善無(wú)數(shù)人的生活質(zhì)量。


△ 在 CELL-MET（從左至右）的 Christopher Chen、Christos Michas 和 Alice White

Alice White 的工作是工程學(xué)和生物學(xué)的完美結(jié)合，這個(gè)領(lǐng)域通常被稱(chēng)為“工程-生物融合”。通過(guò)將機(jī)械工程與生物醫(yī)學(xué)見(jiàn)解相結(jié)合，Alice White 和她的同事正在開(kāi)拓解決復(fù)雜健康問(wèn)題的新方法。3D 打印的靈活性使他們能夠嘗試不同的設(shè)計(jì)和材料，突破組織工程的極限�！�

2022 年，Alice White 、Chen 和 CELL-MET 的一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)利用 3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)微型活體心室復(fù)制品，可以更準(zhǔn)確地模擬真實(shí)器官，并為測(cè)試新的心臟病治療方法提供了一個(gè)沙箱。波士頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)的這一發(fā)明（miniPUMP）可以為在實(shí)驗(yàn)室中制造肺和腎等其他器官奠定良好的基礎(chǔ)。


△ 支撐心臟組織的支架的大型復(fù)制品

優(yōu)秀的導(dǎo)師

除了開(kāi)創(chuàng)性的工作之外，Alice White 還致力于在工程領(lǐng)域營(yíng)造多元化和包容性的環(huán)境。她是波士頓大學(xué)第一位女性機(jī)械工程系主任，并強(qiáng)烈倡導(dǎo)更多女性進(jìn)入 STEM 領(lǐng)域。她在行業(yè)和學(xué)術(shù)界的經(jīng)驗(yàn)使她成為了為學(xué)生做好工程職業(yè)準(zhǔn)備的理想導(dǎo)師。

Alice White 表示：“學(xué)生是波士頓大學(xué)這十年來(lái)最寶貴的財(cái)富，培養(yǎng)他們的職業(yè)生涯并看到他們?cè)谛袠I(yè)中取得成功是非常有意義的。提供職業(yè)發(fā)展建議并幫助他們建立人際網(wǎng)絡(luò)是作為一名導(dǎo)師的職責(zé)�！�

3D 打印在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的未來(lái)

Alice White 認(rèn)為 3D 打印在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面具有巨大潛力。例如，可生物降解樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)植入物在體內(nèi)隨時(shí)間推移安全溶解。這將徹底改變醫(yī)療器械，使其更安全、用途更廣泛。她的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)探索新材料和新設(shè)計(jì)，始終致力于提高 3D 打印的速度和精度。目標(biāo)是縮短研究和臨床應(yīng)用之間的時(shí)間。

Alice White 表示：“將研究從小組織擴(kuò)展到更大的功能性組織結(jié)構(gòu)的能力是主要關(guān)注點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室正在探索在更大規(guī)模上復(fù)制研究成果的方法，這對(duì)于實(shí)際醫(yī)療應(yīng)用至關(guān)重要。這涉及克服挑戰(zhàn)，確保組織在增大尺寸時(shí)的結(jié)構(gòu)完整性和功能性。最終，目標(biāo)是創(chuàng)建可植入的可行組織，這些組織可以與身體現(xiàn)有系統(tǒng)無(wú)縫整合，為嚴(yán)重組織損傷患者帶來(lái)新希望。此外，實(shí)驗(yàn)室還在開(kāi)發(fā)新方法，以確保這些更大的組織結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)高效地生產(chǎn)，這對(duì)它們最終的臨床應(yīng)用至關(guān)重要�！�


△ Alice White 教授

從懷特在貝爾實(shí)驗(yàn)室的工作到她在波士頓大學(xué)的開(kāi)創(chuàng)性研究，她一直在不斷突破工程和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的極限。她致力于指導(dǎo)下一代并促進(jìn) STEM 領(lǐng)域的多樣性，她的努力將在未來(lái)幾年繼續(xù)激勵(lì)和改變?cè)擃I(lǐng)域。正如她所說(shuō)的那樣，“只要有合適的工具和不懈的創(chuàng)新動(dòng)力，你就能做到任何事情�！�