行研｜乘风破浪的科学狂人和他们的人造皮肤！

前言

皮肤是人体面积最大的器官，可以保持人体水分平衡，并作为第一道防线抵抗外界细菌入侵。皮肤上丰富的感受器官让我们可以感知冷热干湿，疼痛压力，此外，皮肤还具有柔软、可拉伸、自我修复等多种特性。随着材料科学、生物工程和电子信息等科学的飞速发展以及人们出于追求美观和功能等原因对人造皮肤需求的持续增长，越来越多的科学家将研究目光投向了这一领域。今天我们就来认识一下两位在科研圈乘风破浪的学术大牛和他们在人工皮肤领域的研究和成果转化。

一、罗伯特·兰格 ，“最会赚钱的科学家”

罗伯特·兰格（Robert Langer）是麻省理工学院（MIT）的学院教授（担任学院教授是MIT授予的最高荣誉），他集科学家、发明家、企业家、教授等多重身份于一体，在医学、化学、药学、生物学、工程学等多领域发展。自幼就很喜欢化学的罗伯特·兰格选择在康奈尔大学学习化学工程学，毕业之际，兰格虽然手握几家顶级化工厂的工作邀请，但他却对此没什么兴趣。他决定申请MIT化学工程专业，继续深造学习。

兰格在MIT攻读博士学位时，美国经历了严重的石油短缺，美国工业界急切地寻求提高燃油生产效率的方法，对化学工程师的需求量很大。博士毕业找份体面的工作根本不成问题，兰格也收到了壳牌和雪佛龙等石油巨头发出的近20份的工作邀请，但他对献身于石油产业似乎不感兴趣，他心中理想的工作是能够为人们提供直接的帮助，例如在医学领域进行博士后研究。怀抱着这份初心，兰格联系了波士顿儿童医院的外科主任、哈佛大学的医生——犹大·福克曼。

福克曼认为化学工程师或许能在发掘新型抗肿瘤药物中帮上忙。就这样，兰格“跨界”成功，开始了用工程技术解决医疗问题的科研旅程。跨界后的兰格学术成绩斐然，他在科学期刊上发表了1500篇以上的文章。他在全球拥有1,360多个已发布和正在申请的专利，这些专利已许可或再许可400多家制药、化学、生物技术和医疗设备公司使用。根据Google学术搜索计算，他的H-index为272，引用次数总计超过304,000次，是历史上被引用次数最多的工程师。兰格获得过220多个主要奖项，其中包括备受瞩目的千禧技术奖（被誉为科技界的诺贝尔奖）和伊丽莎白女王工程奖。

43岁时，他已成为美国三大学院——美国国家医学院、美国工程院和美国国家科学院，有史以来最年轻的院士，还曾于1999年至2002年担任FDA科学委员会主席。兰格不仅擅长学术创新，他对知识成果的商业转化也做到近乎完美。迄今为止，参与创建40多家生物科技初创公司，包括Living Proof（美容产品），Moderna（专注RNA药物，今年5月下旬，其新冠疫苗临床试验被宣布大获成功）， Sigilon Therapeutics（细胞治疗），公司已募集基金总计超过20亿美元。

二、罗伯特·兰格开发的“第二层肌肤”

2016年兰格教授等人在Nature Materials上发表了一篇文章，介绍了他们发明的一种新材料。这种材料宛如人的“第二层皮肤”，可以贴合人体的皮肤并临时改善皮肤弹性，使肌肤更加紧致，让人瞬间恢复青春，并且保持时间可长达16小时。这种神秘的材料实际上是一种有机硅聚合物，被称为XPL(crosslinked polymer layer)，它涂抹在皮肤上后会形成一个极薄且透明、几乎不可察觉的膜层，如同健康年轻的皮肤。

在人体试验中，研究者们发现，这种材料能够消除眼袋，且保湿能力颇佳，甚至可防紫外线，而且不怕水洗。而为了找到这种材料，该研究团队花费了数十年的时间，构造了上百种含有硅氧烷结构的聚合物，并对它们一一做了测试，最终才找出其中能够最完美地模拟健康皮肤外观、强度及弹性的XPL。研究者们设想，这将是一种具有广泛应用潜力的材料技术。除了给脸上做个“临时拉皮”以外，鉴于这层膜阻止水分流失的作用，它或许还能替代那些厚重油腻的药膏，用在湿疹等皮肤问题当中。通过调节配方，膜材料的性能也能进行调整，以适应更多场合的需要，如被用于治疗湿疹或其他皮肤病，以及作为药物载体进行透皮给药。

该团队的测试结果显示，即使将该材料拉伸至原来的250%以上，也能很轻松地回复到初始状态。而天然皮肤最多只能拉伸至原来的180%，超过这个值就回不去了。与目前用于处理皮肤伤口的两种敷料硅胶和PU膜相比，这种新材料的弹性明显高出一筹。研究者们在几项试验中测试了这种弹性膜材料的安全性与效果。他们在受试者的下眼睑、手臂和腿部干燥皮肤上分别进行了测试。结果发现，这种材料对皱纹和眼袋部位的外观起到了明显的改善作用。普通的水冲和清洗不会把它弄掉。除此之外，它也能在皮肤局部保持水分。

不光是皱纹和眼袋的问题，当皮肤衰老后弹性会变差，当用手轻掐皮肤的时候，会发现皮肤甚至很难迅速恢复平整，而这款神奇的皮肤把也解决了这个问题，并且只用了3秒钟。相比之下，没有经过任何处理的衰老的皮肤并未在这段时间内恢复。而且在这两个实验中，12名志愿者都没有出现过敏或者其他的不适感。皮肤保护功能提升的临床数据以及在干燥皮肤上保湿性的研究结果表明，与市场上销售的各种保湿护肤品相比，这种材料的保湿效果更好，就像又多了一层皮肤且所有的受试者均未出现过敏现象。

兰格随后创立了专注于生物技术在皮肤科学领域应用的公司Olivo，用于XPLTM“第二层肌肤”技术的商业推广。Olivo的专利方法可创造具有透气性、弹性及近乎不可见的人造肌肤，带来之前的传统化妆品甚至整容手术都无法企及的诸多优势。

2018年，资生堂宣布收购Olivo，将Olivo的创新技术与资生堂的研发能力相结合，为开发能够即时和显著提升效果的护肤和防晒产品铺平了道路。资生堂CEO Masahiko Uotani表示：“Olivo突破性的‘第二层肌肤’技术将加入资生堂业已成熟的创新资产组合。我们期待欢迎Olivo的新同事加入资生堂，期盼Langer博士发挥自身专长，与资生堂携手重塑美妆行业，创造适合每位顾客特点和个人美容理想的新产品。”

兰格表示：“我们利用科学寻求突破和解决问题。我们能够真正利用新型生物材料解决普遍问题并创建新的平台。资生堂为我们继续执行这一使命，进一步展示XPL平台多重能力提供了令人兴奋的机会。我们期待在一系列不同应用领域解锁XPL第二层肌肤技术的巨大潜力。”随着美妆专用技术不断发展，对于资生堂这样的企业而言，在创新和产品开发方面采用外部观点变得越来越重要。通过与兰格团队这样的科学研究领袖合作，将使得最新的科学技术应用到美妆领域成为可能。

三、鲍哲南，“科研女神”

鲍哲南，斯坦福大学化学工程学院院长（第一个在斯坦福当院长的华人女性），2016年当选美国国家工程院院士。1970年，鲍哲南出生于南京一个知识分子家庭，父母是南京大学物理系与化学系教授。在家庭氛围的熏陶下，她开始对科学产生了兴趣，并以优异的成绩考入南京大学化学系。大二时便进入实验室，在那里第一次接触到了高分子化学研究。于是，鲍哲南开始边打工边申请学校。半年后，她被伊利诺伊州州立大学录取了。凭借出色的成绩，鲍哲南很快被一位芝加哥大学的华人教授发现，并破格录取她作为自己的研究生。

这个时期高分子化学研究刚刚起步，这位教授是芝加哥大学第一个、也是当时学校唯一一个研究这个领域的人，因此，鲍哲南在这个学科初创时期跟着导师做了很多前沿性研究。博士毕业后的鲍哲南破格获得了在贝尔实验室的研究员岗位工作。在贝尔实验室工作的八年期间，她研发了世界上第一款柔性电子纸，为后来人造皮肤打下了基础。

2004年，鲍哲南进入斯坦福大学任教，此时她从事柔性电子的研究已有8年时间，并且有了很多研究成果。而她的梦想是，做一项可以触动每个人的生命的研究。一个偶然的机会，鲍哲南在斯坦福遇到一位研究机器人的教授，聊天中，教授抱怨现在的机器人最大的问题是缺乏感知。这给鲍哲南一个启发，自己作为高分子化学的专家，为什么不研究一种有感知的皮肤呢？这样，不但可以让机器人有感知，还能让断了手臂的人重新获得触觉。十年后，这个伟大的想法就被鲍哲南变成了现实。

四、鲍哲南开发的人造皮肤像“一页纸那么薄”

2015年的《Science》杂志上，以鲍哲南为首的研究团队，向大家展示了一种新的神奇技术：利用碳纳米管、有机电子材料和光控基因技术等前沿科技的整合，他们研发出了一种新型人造皮肤，可以响应压力变化，并可以向神经细胞发送信号，更接近人皮肤触觉的真实机制。这是第一种能够感知压力并与大脑沟通的柔性人造皮肤，距真正像人类皮肤的柔性人造皮肤“更近一步”。这种微结构电阻式压力传感器人造皮肤像“一页纸那么薄”，可以分为两层，外层是可以感知压力的传感器，由塑料材料加上碳纳米管制成；内层是由喷墨打印机印刷出的柔性电子电路，可以把压力信号改变成电信号并传递给大脑。

鲍哲南说，压力传感器的一个难点就是感知微小力量，而他们开发的人造皮肤连一粒大麦、一小粒食盐、一只蝴蝶造成的压力都可以感知。其工作原理是压力越大，与电极的接触面积越大，从而导电性能越好，借此可感知压力的变化。每个传感器都被连接到了由有机材料打印的柔性电路板上。该柔性电路板将传感器产生的压力信号转换成一系列的电脉冲，并根据压力的增加，而提高响应脉冲的频率。

鲍哲南的团队和斯坦福大学Karl Deisseroth团队合作，将传感器带来的电脉冲转换为发光二极管（LED）的蓝光脉冲，并通过光纤传输到小鼠的大脑切片。结果显示，大脑切片中的神经细胞可通过一种叫做离子通道视紫红质的转基因蛋白吸收光信号，并将其转化为神经的电信号，从而完成神经信号的传递。该工作“以前所未有的水平模仿人类皮肤的功能，是人造皮肤材料发展的一个重要的进步，”加州大学伯克利分校研发电子皮肤的专家Ali Javey说。“这可能对更智能假肢的发展具有重要的意义。”

“这仅仅是研发全面集成的人造皮肤的初步阶段，”鲍哲南说。她的团队接下来希望能够模仿人类皮肤的其它传感功能，如感受热的能力，并将它们整合到这个新的人造皮肤的技术平台。这种 “一页纸那么薄” 的人造皮肤研究，让鲍哲南被选入《自然》（Nature）杂志2015年度对全球科学界产生重大影响的十大人物，2017年获年度“世界杰出女科学家奖”。

2018年，鲍哲南团队在这一领域再次做出重要突破。他们首次成功开发出可以量产的高密度、高灵敏度、可拉伸晶体管阵列，平均每平方厘米的尺寸中就有347个晶体管。晶体管的平均载流子迁移率与非晶硅相当，在经历1000次100%应变后，也只有轻微变化。研究人员将这种可拉伸晶体管阵列粘在人手上时，器件并没有因为皮肤表面的不规则和变形而受到影响，测试效果依然非常好。作为一个仿真电子皮肤，分辨率达到每2毫米1个传感器，上面放置一个与真实大小相仿的小瓢虫玩具，其位置可以被精确探测。而且，佩戴者没有任何不适感觉，感觉像是“第二层皮肤”一样。

同时该研究也提出了一种大规模生产柔性可拉伸电子器件的方法，为电子皮肤今后的商业化提供了可能。相关成果已发表在Nature 杂志上。“对人造皮肤和柔性电子产品的研究已经取得了很大的进展，但直到目前为止，还没有一个可行的生产大面积可拉伸电路的方法。”鲍哲南教授说。而该团队发展的这种可规模化生产的策略，采用电子工业的常规技术，已经成功地制备出4.4 × 4.4平方厘米的可拉伸晶体管阵列，器件均一性、产率、产品的电学和机械性能都很出色，将对电子设备的发展带来革命性的改变。

同年，鲍哲南教授和首尔大学 Tae-Woo Lee 教授、南开大学徐文涛教授团队宣布联合研发出一种人造感觉神经（也可称为人造传入神经），能够以类似于生物神经的方式发挥作用，感知触摸过程并与其他神经沟通，该论文发表在《Science》上。该感觉系统已经能够感受方向、传递信息和识别盲文。此外，该系统将能够帮助人造皮肤实现更接近生物体的触觉。

基于目前实验室的技术，鲍哲南已经在硅谷创办了两家公司，并成功拿到了风险投资。如今两个公司员工加起来有60人左右，拥有100项专利。在2019年对鲍哲南的访谈中，她表示关于该人造皮肤的产品已准备进入临床医学研究。

五、学术创新与商业转化有机结合

回看罗伯特·兰格和鲍哲南教授的经历，我们可以发现他们在各自的科研领域均做到了极致，相应的成果均经由学界同行评议并证实可行，并且在技术平台成熟后均抓住时机，着手于相应技术的商业转化。以上两点为他们实现产学研的成功结合打下了坚实的基础。如今，大学与生物技术公司之间的界限早已变得模糊。大量生物技术公司的创始人就是大学教授，他们在大学中发明了技术，建立初创企业从大学获得技术许可。这些公司不仅与大学保持联系，在研究项目上与学校教职员工和博士后密切合作，有时甚至直接使用大学实验室。这样的发展模式形成了一个良性循环：通过建立公司，将科学推向市场，通过资本的力量，助力新技术的探索开发。这样良性的运作机制不仅将能将知识产权货币化，还能让创新技术能真正服务社会，帮助有需要的人。

结语

科研的意义不应该只停留在学术论文的发表，如何将研究服务于社会是每个科研工作者在埋头钻研的同时应该思索的，如何实现二者的有机结合，罗伯特·兰格和鲍哲南教授成功的学术转化经验值得我们借鉴学习。

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