芯片上造器官 方寸间探骨科——记香港中文大学生物医学工程学系校长特聘助理教授李中

王 芳 户 万

李中

在芯片上打造人体器官，听起来似乎太过玄幻。

但是，进入21世纪后短短几年，生物医学领域的飞速发展便成功将之变为现实。将人体细胞置于微流控体系中，通过调控培养环境，可以有效复刻人体器官的关键功能，进而用于疾病研究和药物研发。从肺、脑、心、肝的芯片，到肠、肾、血管、皮肤的芯片，器官芯片的种类越来越多，近年来又诞生了膝关节器官芯片。

2016年，器官芯片被达沃斯世界经济论坛评为“十大新兴技术”之一。为抢占科研制高点，国际上掀起了器官芯片的研究热潮，促成了一项项交叉学科研究。李中，正是一位热衷于此的科学家。

作为一名从本科就笃志利用工程技术解决骨科难题的研究者，在十余年的医工结合研究中，李中始终坚持从临床需求出发，不断探索新的研究方向，在器官芯片、生物材料、组织工程等领域发表《科学引文索引》（SCI）论文50余篇，取得了一系列令人瞩目的成果。

2022年，李中加入香港中文大学（以下简称“港中大”）生物医学工程学系担任校长特聘助理教授。在港中大深厚的工学和医学底蕴之上，他期待与广大同行密切交流，在跨学科合作中推动生物医学技术的发展，造福社会大众。

医工结合，解决骨科难题

2008年，李中考入华南理工大学机械与汽车工程学院。凭借突出的英语成绩，他顺利进入机械工程及自动化专业双语班，接受双语训练。机械工程及自动化是华南理工大学的老牌强势专业，汇聚了来自全国各地的优秀理工学子。李中在专业上表现优异，多次获得国家级和校级奖学金。在紧张而又充实的课程学习之余，他还积极参与2010年广州亚运会和学校国际交流与合作处的志愿者活动，并获得广州亚运会金牌志愿者和国际交流与合作处杰出志愿者称号。

毕业前夕，李中发现自己对于利用工程技术解决医疗难题具有极大的热情，决定转行申请国外生物医学工程方向的博士项目。为了跨专业获得指导，他毛遂自荐，向学院金属材料加工专家康志新教授提出申请，希望能够自选与医用金属相关的课题进入康教授实验室，完成毕业设计。“原本报名时间已经过了，康教授看我有热情也有想法，就答应增加一个名额。我至今都感激康教授，他是我进入生物材料研究领域的启蒙老师。”

钛金属的表面改性研究是李中接触的第一个与骨科生物材料相关的课题。通过课题研究，他意识到自己对骨科研究具有浓厚的兴趣。“骨科疾病虽不像癌症致命，却非常普遍，严重降低病人的生活质量。”李中认为这一领域十分具有前景。

基于本科期间优异的学业成绩和综合素质，2012年夏天，李中获得新加坡南洋理工大学的博士研究生全额奖学金，南下读博。李中在博士期间的研究方向是利用生物陶瓷修复骨缺损。他清晰地记得，第一次与导师许谦益（Michael Khor）教授见面的时候，他满怀期待地问导师自己应该做什么方向。令他意外的是，导师反问他最喜欢的是什么方向。在接下来几年的学习中，导师一直鼓励他充分利用实验室的研究基础来追求自己感兴趣的课题，并在这个过程中学会提出重要的科学问题，进而在寻找答案的过程中实现对知识边界的突破。在导师的支持下，李中选择了纳米复合生物陶瓷这一研究方向，深入探究工艺、结构、性能三者的关系。他利用材料学、力学和生物学的前沿技术手段，在生物陶瓷的断裂韧性、生物活性及加工效率等方面实现了一系列创新。凭借相关科研成果，他在2017年顺利获得南洋理工大学博士学位。

随后，李中在导师的热情邀请下加入南洋理工大学和新加坡国立眼科中心的联合交叉学科项目进行博士后研究。“我的合作导师是新加坡国立眼科中心角膜与外眼疾病专家约德·梅塔（Jod Mehta的音译）教授。他在一次学术交流中指出骨齿人工角膜移植术是一种昂贵又复杂的手术，希望我们能寻找一种强韧、耐磨、耐腐蚀且生物相容性高的材料，将手术过程进行简化。”当时，生物惰性陶瓷在骨科领域已有成熟的应用，但还从来没有用于眼科领域。梅塔教授提出的性能需求，与李中及其导师的研究领域高度契合，于是双方一拍即合。经过优化工艺参数，李中成功制备了具有优异综合性能的复合纳米生物陶瓷来替代骨齿人工角膜移植术中使用的犬齿。由此，通过将一项成熟的生物材料技术应用于一个新的跨学科领域，李中和导师解决了一个眼科难题。这段研究经历更加坚定了他在科研中打破学科边界、追求跨学科创新的信念。

基于这一课题的研究成果，李中在2016年举办的“世界青年讲座比赛”（Young Persons' World Lecture Competition）总决赛中获得了全球第一名。“将材料科学领域的技术创新深入浅出地呈现出来，正是这项比赛所需要的。”回顾比赛经历，李中深有体会地说道，“就像习近平总书记一直强调的那样，要讲好中国故事、传播好中国声音。科研人员不仅要将科研做好，同时也要讲好科研故事，让尽可能多的人受益于我们的科研成果。”

在新加坡的研究经历让李中更深刻地认识到挖掘临床需求和开展交流合作的重要性。他意识到如果要做好医工结合的交叉学科研究，就必须增强自己在医学方面的知识储备。因此，寻找医学院的博士后机会，成为他下一阶段的目标。“我一直知道自己想要做什么，也知道其中的风险。作为一个从机械工程跨领域来研究生物医学的研究人员，我觉得自己最大的幸运是遇到了鼓励我大胆尝试、一路给我指引的良师益友。”

2016年，李中（中）获得英国材料、矿物和矿业学会（IOM3）举办的世界青年讲座比赛第一名

器官芯片，新兴未来技术

2018年，凭借优秀的科研成果和对医工结合研究的热情，李中获得了美国匹兹堡大学医学院骨科系的博士后职位，导师是国际知名的生物医学科学家、匹兹堡大学医学院骨科系杰出教授段崇智教授。“段教授和林航教授的指导大大加深了我对骨科尤其是关节疾病的认知，他们对骨科研究的热爱也深深感染着我。”3年间，李中不懈努力，在骨科器官芯片研究领域做出了斐然成果。他先后获得了美国骨科研究学会（ORS）“减少、替代、优化”奖（3Rs Award）、维克森林再生医学研究所（WFIRM）青年科学家奖，以及组织工程与再生医学国际学会美洲分会的学生与青年科学家科学卓越奖等奖项。

创新性交叉学科研究对李中有着巨大的吸引力。“器官芯片研究的魅力在于它是利用工程、医学和生物学领域的最新方法和技术来解决医疗问题。”利用人体间充质干细胞和3D打印技术，李中在微流控体系中构造了第一个包含4种组织的人体膝关节器官芯片——“迷你关节”。通过调控培养环境就能在此芯片中实时观测组织间的“对话”，进而研究膝关节疾病发病机理并测试药物。于方寸之间复刻的微缩版人体器官为医学研究提供了一种准确度高、小巧灵活的高通量分析测试平台，这让器官芯片研究在近年来发展迅猛。李中进一步补充道：“人体器官芯片可利用特定个体的细胞构建而成，科研人员可借此进行个体化的病理研究和药物开发。”在当下个性化精准医疗的发展趋势下，这无疑是一个十分吸睛的亮点。

在匹兹堡大学医学院骨科系的工作告一段落后，李中受邀加入医学院神经生物学系担任研究助理教授，利用器官芯片技术对关节疼痛机理进行探索。2022年是李中在科研征途上的第十年和进入器官芯片领域的第五年，经历了这些年在海外的磨炼与积淀，他内心里回国效力的想法日益强烈。

此时，大洋彼岸的港中大面向全球推出了一项校长特聘青年教授人才计划。此计划旨在吸引全球范围内极具潜力的青年学者加盟港中大，以推动《香港中文大学策略计划2021—2025》中提出的4个重点科研领域的快速发展。李中当即提交申请，在经过简历筛选及三轮面试后最终在几百名申请者中脱颖而出，成为当年5位入选者之一。坚持与时俱进、应需而动，不断挑战自我、开辟新的领域，在摸索中保持定力，坚定追求科研兴趣与梦想，这正是李中最终获得青睐的关键所在。

李中于2022年加入港中大工学院生物医学工程学系。生物医学工程学系由学校工学院和医学院合作成立，虽只成立了短短5年，但发展非常迅速，已在最新的软科排名中高居全球第13。“我希望从临床需求出发，利用医工结合的手段开展基础和转化研究。港中大的医学和工学研究底蕴深厚，加入港中大生医工系是一个非常棒的选择。”

在学校的支持下，李中迅速组建了包括博士后、博士生、硕士生和研究助理在内的研究团队。“我将会延续此前的研究方向，继续利用器官芯片和生物材料解决骨科难题。”成为导师之后繁杂而又充实的工作，令李中甚是怀念从前纯粹埋首研究的美好。“那是一段将自己的生活与课题融为一体的时光，我可以心无旁骛，专注于自己的项目研究。”正因这份怀念，李中在实验室建设上，努力营造积极向上的团队氛围，广泛开展合作，让团队成员发挥所长，尽情追求自己的科研梦想。“我通常并不会给他们规定具体的研究内容，我更希望他们来告诉我自己的兴趣和特长所在，我们一起寻找结合点，发挥个人和团队的优势，相互协作，高效且富有激情地投入研究当中。当离别的时刻到来，我希望每个人都能收获满满。”

2019年，李中（右一）在匹兹堡大学医学院进行博士后研究时与实验室本科生合影

在工作中，李中也十分注重让学生通过课程学习和科研项目掌握将来职业发展所需要的思维方式和工作技能。“我希望，每一位团队成员在我们实验室的经历，能帮助他们更好地实现自己的人生价值。”

器官芯片在药物开发行业及个性化医疗领域都有可观的发展前景。香港政府和港中大非常重视校企合作，大力支持科研人员进行成果转化以造福社会。李中目前也是香港政府的重点项目InnoHK创新香港研发平台下辖的神经肌肉骨骼再生医学中心（CNRM）的成员。神经肌肉骨骼再生医学中心汇聚了来自港中大和瑞典卡罗林斯卡医学院的顶尖科研人员，共同致力于推动神经系统与骨科疾病相关的科研成果向临床应用转化。

“另外，香港政府与科技部、自然科学基金委等近年来均加大力度支持两地科研院校开展合作科研项目，这些项目加强了香港与内地，尤其是与大湾区城市的交流，同时也促进了企业和科研院所的合作。”2022年11月，国家自然科学基金委和港中大联合举办了“骨与关节软骨退变和再生学术研讨会”。这对李中来说，便是一个非常宝贵的机会。“很幸运能借这个机会向包括段崇智校长、张英泽院士、秦岭教授在内的众多骨与关节疾病领域的专家请教学习。我非常期待以后能与内地的同行们深入交流，发挥两地各自的科研优势，深入开展合作，为香港乃至国家在器官芯片和生物医学领域的科技进步贡献力量。”