科技明星和重大发明:“布袋院士”赵东元、“科普战士”张文宏、C919 的“金丝软甲”、神奇因子
编辑:admin 发布时间:2023-06-09 浏览:81

  近日,2022 年度上海市科学技术奖获奖名单正式公布,共计授奖 316 项(人)。唯一的一个科技功臣奖颁发给了中国科学院院士、复旦大学先进材料实验室主任赵东元教授,复旦大学附属华山医院感染科主任张文宏带领的团队收获了 科学技术普及奖 类别中唯一的 特等奖 。

  本期《IT 时报》除了带你走近赵东元、张文宏两位 科技明星 之外,还将聚焦上海市技术发明奖仅有的两个特等奖,看上海科技人如何用科学创造神奇,用钻研攀登技术的高峰。

  在 2022 年度上海市科学技术奖中,曾经获得国家自然科学奖一等奖的中国科学院院士、复旦大学化学系教授赵东元获得科技功臣奖。

  时隔 2 年再次见到赵东元教授,是在复旦江湾校区的一个报告厅里。上一次,他即将启程去北京人民大会堂领取国家自然科学奖一等奖,身着西装,打着领带,身上更多的是获奖之后的兴奋。

  这一次,出现在复旦江湾校区的赵东元显得更加随性。深蓝色的休闲外套里穿了件条纹衬衫,看起来轻松又舒适。 欢迎大家,后边我去上课,上完课再来跟大家见面。 简短地做完报告,赵东元起身,匆匆和在场的记者交代了几句,便一路小跑着离开了会场。

  一旁的工作人员连忙解释: 今天上午赵老师在邯郸校区还有课,上完课他会回来,接受大家的提问。

  疫情让很多事陷入停滞,但这个调侃自己 只会造孔 的赵东元,却步履不停,用自己造的孔,干了不少大事。

  介孔材料是一种多孔材料,孔径在 2 纳米至 50 纳米。 赵东元的报告依然从介绍他热爱的介孔材料开始。

  介孔材料是 20 世纪发展起来的崭新材料体系,具有规则排列、大小可调的孔道结构及高的比表面积和大的吸附容量,在大分子催化、吸附与分离、纳米组装及生物化学等众多领域具有广泛的应用前景。

  但在自然界中,除了植物体中,几乎不存在其他有机介孔材料。 所以我们就想,能不能创造一些有机的介孔。 赵东元说, 能自主调整介孔的尺寸和结构,甚至将材料用于工业化生产。

  这个 拍脑袋 想出来的念头,在 5 年后成了线 年,赵东元在《德国应用化学》 ( Angew Chem ) 上发表文章,在 有机—无机自组装 的基础上首次提出 有机—有机自组装 的新方法,并将实验方法公之于众。经过 12 年的探索,2017 年,赵东元又在此基础上完成了有序介孔高分子和碳材料的创制。截至目前,这篇论文被引超过 3000 次,吸引了 60 多个国家和地区的 1500 多家科研机构跟踪研究,利用相似方法研究发表的论文逾 5 万篇。

  2012 年至 2019 年,赵东元连续八年被科睿唯安列为全球化学、材料两个领域的 高被引科学家 ,2020 年被 Science Watch 列为介孔材料领域发表论文、引用率全世界排名第一的科学家。

  坚信 天生我‘材’必有用 的赵东元一直在尝试将自己的科学成果产业化。这几年,经过不断压缩成本,赵东元团队的科研成果已经能投入到工业化生产中,展开大规模制备。

  在原油制造行业,我国每年使用的 7 亿吨原油中,有 3 亿吨是重油、渣油。由于重油、渣油成分复杂,想要将重油、渣油转化成高品质油,往往需要十多种催化剂的介入,而且效果并不好,稍有不慎就会导致结焦(变成焦碳块)。

  利用孔介材料的特殊结构,赵东元创制了一种壳核结构的介孔小球。这种小球外壳孔径大,内核孔径小,外壳好像分子筛,可以把渣油里的杂质挡在 门 外,也能在低价值的重油、渣油这些大分子进入时将分子裂化。之后,被裂化的分子经由内核的精加工,成为汽油、柴油等高附加值液体燃料。

  在使用这种梯度孔径的分子筛催化剂后,齐鲁石化六年来生产效率提高了 1.5%,每年增加 150 万吨高品质油品,相当于增加了几十亿元的产值。即便如此,赵东元还不满足。他说: 我们还想用这样的概念把催化剂做成液体,让它既是孔,又能流动。

  十多年来,赵东元团队一共创造了 19 种新型介孔材料,全部以 FDU ( 复旦大学 ) 命名。这些新型介孔材料已经进行了千吨级生产,为国内外研究单位提供实验试剂,在加氢裂化、蛋白质分离、固定化酶和生物玻璃补骨材料等应用方面取得了较好的效果。

  尽管近些年来找到新结构的难度越来越大,但介孔材料的基础研究离终点还很远。只要说起介孔材料,赵东元的奇思妙想就好像怎么也用不完。

  曾经,赵东元带着儿子玩乐高的时候,想到了介孔材料的模块化自组装。近来,他又在公园看孩子玩吹气球时,开始思考研发 会呼吸的孔 ,让介孔的孔径大小能根据气流的变化而改变,或是孔可以像开关一样在 0/1 之间的状态切换……

  化学实在太有趣了, 赵东元说, 介孔材料对我来说,真是一辈子都研究不完。 这个在介孔材料领域钻研了 20 多年孔的赵东元,还想着怎么利用他造出来的那些孔,去改造血管,去变成可穿戴的材料,去让这个世界变得更加多彩。

  src=2022 年度上海市科学技术奖获奖项目出炉,复旦大学附属华山医院感染科主任张文宏及其团队的 新冠疫情下的全民抗疫与健康生活科普 项目获上海市科学技术普及奖特等奖。

  3 年前,新冠疫情出现没多久,2020 年 1 月 17 日,世卫组织发布了 2019 新型冠状病毒指南 ,这是世卫组织发布的第一个有关新冠病毒的指南。几乎是指南发布的第一时间,张文宏就组织团队将文章翻译成中文,发布时,已是凌晨。

  没想到,这篇文章当天的阅读量就已经超过了 300 万。而在疫情前, 华山感染 微信公众号上的文章单篇阅读量很少有过 10 万的。1 月 18 日,世卫组织发布《大众如何预防新型冠状病毒》, 华山感染 又是第一时间翻译转发。文章发出后,6 小时阅读量就高达 1550 万。

  做科普带来的责任感和成就感激励着整个团队不断向前。疫情期间,正是感染科最忙的时候。团队里每个人不仅要忙工作,还得抽出时间来做科普,十分辛苦。但当时,疫情来势汹汹,民众对疫情还不了解,所有人陷入对未知的恐惧之中,张文宏和团队必须迅速行动,把最新、最专业、最前沿的知识传递出去。这时候最恐惧的不是我们一线的医务工作者,更加恐惧的是民众, 张文宏说, 我们得把正确的声音传递出去,不能真理还没出来,谣言已经满世界跑了。

  华山医院感染科主治医师阮巧玲清楚记得,那段时间,为了及时把文章发出去,团队成员大多只能利用休息时间编稿子、发稿子。 最夸张的一次是在凌晨 3 点多, 她说, 有时候排版都是在地铁上完成的,所以我们很多文章的发布时间都是在凌晨。

  现在不仅仅是医生一个人在战斗,从现在开始每个人都是战士 最好的药就是免疫力 你觉得很闷吗?病毒也被你闷死了 等金句,也让张文宏成了 网红 。经由 华山感染 公众号这个窗口,30 多篇原创文章及时将疫情走向、防控政策传递了出去,也让粪口传播、气溶胶传播等晦涩难懂的疫情知识成为人人都懂的防疫术语。

  都说趁热打铁,2020 年,张文宏带领团队以国内外新冠的研究进展为基础,用老百姓能听得懂的语言将新冠防治知识编成了科普书籍《张文宏教授支招防控新型冠状病毒》出版。随后,该书籍被翻译成 18 国语言版本,被分发到世界各地,助力全球抗疫。为了扩大传染病防治的科普,张文宏和团队将《张文宏说传染》一书的版税全部捐赠,将图书赠送给全国参与抗疫的医务工作者和社区工作者,把科普的声音传得更远。

  2020 年,时任中国驻美大使崔天凯还手书感谢信寄给张文宏,感谢他在危急时刻为留美华侨和留学生进行的新冠科普。当时,疫情全球肆虐,也割断了各个国家之间的联系。身在国内的父母,十分忧心远在国外的儿女。受我国驻外使馆的邀请,张文宏频频现身,与海外华人华侨、留学生代表视频连线,为他们科普防疫知识,讲解正确的应对之策。他的出现,减轻了海外华侨、留学生心中的恐惧,也熨平了国内父母的焦虑和忧心。

  我始终相信,我们跟民众之间透明、科学的沟通是至关重要的, 张文宏说, 其重要性其实不亚于我们对一线病患的救治。

  随着新媒体手段的普及,科普渐渐变成一个大赛道。越来越多的医务工作者开始在各大平台科普。 医生做科普的动力是什么?可能有人会说,为了让更多公众认识,来门诊找这位医生看病。我认为这是‘小科普’。 从决定开设公众号,做科普的那天起,张文宏就认定医生要跳出自己的医疗圈,抛开科普让自己获益的私心,回应老百姓关切的健康问题,讲老百姓想知道、听得懂的医学知识,做真正的 大科普 。

  科普不是打赏别人,不是我们医生平时擅长看什么病就做什么科普。科普也不能仅展示抓人眼球的部分。 张文宏说, 只有坚持,才能形成自己的品牌,而科普工作只有和老百姓站在一起,才能真正打动人。

  最近,各地陆陆续续又开始有散发疫情,不少人开始 二阳 。不过,这一次,张文宏和团队却显得很低调,没有急着去做太多科普,发文章。 这次‘二阳’出来以后,其实并没有过多地影响到整个社会生活, 张文宏解释说, 如果民众都能够有条不紊地应对,都能理解,那我们就没必要过多地宣扬这件事。

  而今,疫情的风波已经平息。告别了 网红 的身份,张文宏显得特别安心。张文宏和团队也将目光转向疫情之外的科普——整个传染病领域的科普,他准备继续用老百姓听得懂的话,把科学传播出去。

  src=5 月 28 日 12 时 31 分,经历 1 小时 59 分钟的飞行,国产大飞机 C919 顺利完成全球首次商业载客飞行,平稳降落在北京首都国际机场。历经几代人的努力,我国民航运输市场首次拥有了中国自主研发的喷气式干线飞机。

  国产大飞机 C919 顺利商飞的背后,少不了上海科技人的技术加持。其中,由上海交通大学、上海拓璞数控科技股份有限公司、上海飞机制造有限公司、上海航天设备制造总厂有限公司、天津航天长征火箭制造有限公司、成都飞机工业(集团)有限责任公司共同完成的 航空航天大型曲面蒙皮 / 箱底双五轴镜像铣削技术与装备 项目摘得了 2022 年度上海市技术发明奖特等奖。

  说起 蒙皮 ,许多人或许还有些陌生。但坐过飞机的人,一定都见过 蒙皮 ,它就是飞机的外壳,也是决定飞机疲劳寿命的主承载零件之一。

  作为飞机的最表层,蒙皮承受空气动力作用后,会将作用力传递到相连的机身机翼骨架上,飞机蒙皮一旦损坏,会使相关部位强度下降,影响到飞机的性能,危及飞行安全。

  在过去 40 年间,如何制造出高精度的蒙皮,一直是困扰我国产业界的一大难题。我国缺乏相应的精密制造工艺。在精密零件的加工制造过程中,五轴数控机床是其中较为常见的一种。但传统的五轴数控机床所用的刀具通常都很硬,这类刀具不怕硬碰硬,就怕碰到软东西。项目第一完成人、上海交通大学机械与动力工程学院教授王宇晗解释说: 因为软的材料,一碰就变形。 而蒙皮,恰恰就是软的。

  飞机的蒙皮一般由铝合金材料制成,在寸土寸金的机身上,为了尽可能减轻机身重量,蒙皮的厚度仅有 1 毫米左右。 它柔软到什么程度? 王宇晗说, 你拿一个手指头按一下,它就会变形。 因为没有相关的制造设备,过去 40 年里,飞机蒙皮的制造只能采用化学腐蚀的方法。但这个方法不仅污染严重,而且精度也不高。

  有没有什么办法,能让硬刀具也能应付软材料?带着这个问题,王宇晗带领团队开始了一场长达数十年的探索。最终,王宇晗团队想出来的办法是采用 镜像铣 的工艺,增加材料的刚性,让软性材料在加工过程中始终保持足够的硬度。所谓 镜像铣 工艺,是把蒙皮当镜面,镜面的两边,一边是刀具,一边是局部支撑,两边同步运动,增加零件的局部刚性。

  说起来容易,做起来难。想要实现这一方案,需要镜面两边的机械臂进行五轴联动,且运动误差不超过 0.1 毫米,接近于一根头发丝的粗细。但问题在于,蒙皮面积大,材料最大边长度可达 12 米。在这么大面积的材料上进行如此高精度的运动相当于两个运动员以足球场为镜面,进行同步运动,十分困难。

  不仅如此,在加工的过程中,由于材料越加工越薄,材料会随之变软,这对设备两边的距离、施加的力度都有极高要求。刚开始研发的时候,由于设备运动同步性不够,力度把握不住,经常一不小心就把材料扎一个洞,造成整片蒙皮的损毁。团队只得不断尝试,不断改良,提升设备的精度。

  最终,团队发明了实时跟踪工件法向超声动态稳定测厚与闭环控制技术,将设备的测厚精度较国际水平提升 4 倍,可加工最小壁厚范围提高了 30%,壁厚精度提高了 5 倍。不仅如此,团队发明的镜像铣柔性编程加工工艺方法,匹配精度较刚性工件匹配方法提高了 10 倍,轮廓加工精度较国际水平提高了 40%。

  五轴机床对中国来说曾经是遥远得‘不可触碰’的东西。 回顾研发的日子,王宇晗感触良多。中国要实现高端制造,就必须有自己的装备。经过多年的研发,团队研发的设备已经实现了全自研,全国产化,而他们发明的技术和设备也被用于国产大飞机 C919 蒙皮的生产,为 C919 穿上了一件国产的 金丝软甲 。

  今年 6 月,从控制到核心部件全部自主研发、本地生产的拓璞卧式五轴车铣复合加工中心也将投入市场。这台能够精度达到 2 微米(头发丝直径的 1/50)的全自动车铣机床可用于复杂零件加工,能够替代传统 4-5 台机床的工作,为民用产品的精密加工贡献力量。

  src=在华东理工大学实验室里,有数不清的实验瓶,里面装满了一颗颗形状各异的白色小颗粒。不仔细看,还以为是一颗颗白色的糖果。实际上,这些是带有活性因子的 人工骨 材料。如果不说,很多人大概很难想象,就是这些看似普通的小颗粒,帮助数以万计的骨缺损患者重新恢复了健康。这个名为 载生长因子(rhBMP-2)高活性骨修复体的创制及临床应用 ,由华东理工大学作为第一完成单位的项目,在名校、名医院、创业企业等单位 20 多年的联合攻关下,创新了多项关键技术,解决了骨修复临床难题,获得了 2022 年上海市技术发明奖特等奖。

  在针对骨损伤的相关治疗中,医疗行业曾经普遍存在修复效果不理解、成果慢的问题。之所以存在这样的现状,本质是因为材料的生物活性不足,而如何大幅提高材料活性是解决问题的关键。

  研究证明,骨形态发生蛋白 2(BMP-2)是对骨形成作用最强的生长因子之一,有了生长因子介入,断骨缝隙可以再生 填补空白 ,骨损伤也可以更快自主愈合。但提取 BMP-2 存在不少困难:从动物骨组织中直接提取,不仅含量低、纯度低、提取工艺复杂,而且存在动物病原体感染的风险;采用国外的真核细胞表达技术不仅生产成本高,产量也低;此外,人体内环境复杂,生长因子也容易失活。

  既然培养生长因子那么难,不用因子行不行?2000 年,刚开始进行研究时,中国科学院院士刘昌胜脑海里曾冒出这个念头。但经过多番尝试,事实证明, 没有因子还真不行 。

  在经过了一系列失败的尝试后,刘昌胜想到了利用大肠杆菌来表达、提取 rhBMP-2。相比其他的表达方式,大肠杆菌生产成本低,生产过程更为简单。但事实上,没有因子不行,有了因子也不一定能行。在利用大肠杆菌进行表达 rhBMP-2 的过程中,团队曾遇到过一个难题——从大肠杆菌中表达出的 rhBMP-2,没有活性。

  让生长因子有活性的关键在于找到蛋白质正确的折叠方式。 刘昌胜解释道,蛋白质分子起作用依赖于特定的结构,不同的折叠方式会形成蛋白质不同的结构,从而导致蛋白质不同的特性。而 rhBMP-2 蛋白质由 114 个氨基酸构成,想要让 rhBMP-2 产生活性,就必须从中找到正确的折叠方式。

  经过多年的研究,最终刘昌胜基于大肠杆菌原核表达系统,发明了高活性重组人骨形态发生蛋白 2(rhBMP-2)的规模化生物制造新方法,成功制备出高纯度、高活性的 rhBMP-2,并实现量产。为更好发挥活性因子的效果,项目组还研究模拟人体骨组织的结构与功能,在国际上首创出 高活性 rhBMP-2/ 类骨磷灰石多级结构 骨修复体及其制备技术。

  此举不仅大幅降低了企业生产成本以及相应的治疗成本,骨诱导活性也达到国外产品最好水平,填补了规模化生物制造骨生长因子的技术空白。实际的临床试验也表明,该载 rhBMP-2 材料安全性强,病人的愈合周期也明显缩短。这项技术的生物相容性好,关键指标达到国际领先水平,获批国内第一张此类产品注册证。

  研究过程中,项目组发现,材料在帮助骨头生长的同时,还具有重建血管的作用,能让周边的血管网长起来。刘昌胜又想,能否将材料应用在股骨头坏死的治疗中?

  有了这个念头,刘昌胜开始在动物身上进行验证,想不到效果很好。之后,他又通过临床实验,不断完善,逐步创新,形成了确实有效的治疗方案。以往股骨头坏死的患者只能置换人工关节,很多患者 5~15 年就要翻修,翻修难度大。 刘昌胜说, 但如今,rhBMP-2 人工骨材料却可以帮助骨头进行重建,实现骨头的再生。

  如今,项目组研发的相关产品已在全国 800 余家医院累计使用超过 30 万例。使用范围也从最开始的骨折,到后来的股骨头坏死相关治疗,再到牙槽骨的修复……应用范围越来越广。由于国内临床需求庞大,目前这类骨修复体仍供不应求,企业还在想方设法扩大产能,据悉新生产线正准备动工建设。

  对于人工骨材料的应用,刘昌胜还有更多的期待,他期待在这个老龄化的社会,他参与研发的材料能够应用到针对老年人骨折相关的治疗中,帮助老年人减轻手术创伤带来的痛苦,更好地守护他们的健康。 老龄化是社会共同面临的现实, 他说, 我们希望能给医生提供一种新的治疗方案。

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