2023医工交叉十大科技创新

2023年3月18日,第四届中关村“医工谷”创新创业论坛圆满落幕。本届论坛,由北京生物医学工程高精尖创新中心(北航)、北京大学第三医院创新转化中心、中关村智友研究院联合发布了“2023医工交叉十大科技创新热点方向”。

作为“2023医工交叉十大科技创新热点方向”专家委员会秘书长及医工交叉领域科技成果转化的杰出代表,北京航空航天大学副教授、罗森博特创始人王豫主持了此次论坛。

王田苗代表论坛和组委会,现场发布了该报告,并从医工交叉行业背景、健康与医疗器械发展态势及我国目前医工交叉资源等方向,对新时期医工交叉的发展方向进行了解读。

樊瑜波 北航医学科学与工程学院院长、北京生物医学工程高精尖创新中心(北航)主任

段星光 北京理工大学教授,科技部重点研发计划智能机器人专项总体专家组专家

王贵学 重庆大学生物工程学院院长,国家生物产业基地公共实验中心(重庆)主任

王启宁 北京大学工学院副院长、先进技术研究院副院长、康复工程研究中心主任

王  豫 北京航空航天大学生物与医学工程学院副教授、院长助理,罗森博特创始人

陶春静 北航大学,医工百人,生物医学工程高精尖创新中心医工科技成果转化办公室负责人

医工交叉后疫情时代继续发力,高通量病毒检测的基因芯片,光子、微电子等病毒快速检测新方法和新技术,肺和结肠类器官芯片研发用于疫苗和候选药物筛选,以及泛冠状病毒疫苗研发方面正在取得新的进展。

自主操作手术机器人在软组织与硬组织手术中均取得突破,手术机器人正逐步从智能定位与操作工具向智能助手方向快速演变发展;微纳靶向诊疗机器人通过体内操控,为未来疾病的诊疗提供新的思路和方法。

生物医学工程的大量技术突破,推动合成生物学进入快速发展阶段,在基因编辑、体外合成、医药健康以及农畜牧种子、食品工业等领域应用成果凸显,能够突破原有生物系统的限制,创造出更加满足个性化需求的新型生物系统。

医工交叉在材料、结构、控制和生肌电信号处理技术方面的进步,推动可穿戴纺织外肌、人工心脏、人工眼等人工器官研发取得突破,有望模拟被替代器官维持生命所必需的最重要功能,从而达到暂时或永久性地恢复身体某些器官主要功能。

结合神经科学、信号处理和机器学习的知识,对来自神经元的信息进行转换,并将其传送给外部机器进行控制。多项研究正在进入人体实验阶段,用以提升脑中风瘫痪残疾患者的生活质量。

ChatGPT等AI技术深度融入疾病诊疗与咨询,助力医生制定更精准的诊疗方案。数字疗法基于AI、虚拟现实等技术,通过数字化方法实现疾病的预防、干预、治疗和控制,形成一类创新医疗产品和服务。

人工智能可以通过对靶点结构,理化性质的大数据学习,预测新的药物靶点,设计具有潜在可能的化合物,加速药物分子筛选和优化过程,缩短药物研发时间,提高研发效率。

基础科学的发展推进新型柔性传感器的设计与制造,在心脏实时监测与同步成像、病毒快速检测、大脑和肠道内的多种神经递质检测、脑电信号更精细的获取等方面取得突破;集成穿戴式可持续监测成为柔性传感器的研究热点,助力肿瘤检测、生理活动与健康状态监测。

基于原子磁力计的心磁、脑磁成像技术产业化突破,实现心脏活动和脑内神经活动的实时无创探测,助力心血管冠心病及阿兹海默症的早期发现。自动超声诊断系统结合自动影像采集与人工智能算法,提供更加自动化的影像诊断服务。

中医药标准化近期已由国际标准化组织颁发正式文件,中医相关网络数据库平台正在向综合、标准、实用发展。中医穴位机理的研究在穴位敏化、治疗癌症等重大疾病都有最新突破。

医工交叉后疫情时代继续发力,高通量病毒检测的基因芯片,光子、微电子等病毒快速检测新方法和新技术,肺和结肠类器官芯片研发用于疫苗和候选药物筛选,以及泛冠状病毒疫苗研发方面正在取得新的进展。

1) 病毒检测中的基因芯片:台湾矽基分子公司首创新冠病毒快速检测抛弃式生物芯片。相较于PCR或快筛只有一个检测点,该新冠病毒快速检测抛弃式生物芯片采用生物矽基场效电晶体技术,将每颗芯片上搭载上万支生物探针,如同上万个检测点,可以达成更高的准确率与灵敏度。在撷取生物检体如鼻咽喉黏液,或唾液里的新冠病毒核酸后,迅速产生上万个数据,可以在20分钟内筛检出体内病毒含量极低的感染初期或无症状的新冠病毒患者。

2) 病毒快速检测:复旦大学团队研发了一种新型传感器,通过微电子技术分析 拭子中的遗传物质,可以在 4 分钟的时间内检测到新冠病毒核酸。除检测速度快之外,还具有灵敏度高、操作简单、便于携带等特点,该项成果发表在2022年的Nature Biomedical Engineering。

3) 类器官芯片助力病毒药品研发:上海交通大学联合威尔康奈尔医学院、西奈山伊坎医学院,利用类器官芯片成功筛选出新冠治疗候选药物,成果在《Nature》上发表。研究表明,肺和结肠类器官可以作为研究新冠病毒感染和鉴定潜在的新冠肺炎(COVID-19)疗法的疾病模型,实现药物的高通量筛选。

4) 泛冠状病毒疫苗:2022年4月,Nature子刊《Nature Reviews Drug Discovery》发文表示公共卫生研究人员正在探索应对新冠病毒长期威胁的路径,并以流感疫苗为模型,研发一种冠状病毒通用疫苗,最终实现每年注射一次即可为新冠病毒的未来变种提供持久保护。泛冠状病毒疫苗能够“广泛保护”病毒不同的变异。2022年3月,Moderna推出的临床前候选药物mRNA-1287旨在预防导致10%-30%成人普通感冒的两种α冠状病毒和两种β冠状病毒。美国马里兰州沃尔特里德陆军研究所正在开发一种佐剂纳米粒子候选疫苗(Spike ferritin nanoparticle,SpFN),相关研究成果已经在小鼠中进行了动物实验,并发表在Cell期刊上。研究结果表明,SpFN疫苗引发了针对SARS-CoV-2、异源SARS-CoV-1和新冠受关注变体的强大体液和细胞介导的免疫反应。

自主操作手术机器人在软组织与硬组织手术中均取得突破,手术机器人正逐步从智能定位与操作工具向智能助手方向快速演变发展;微纳靶向诊疗机器人通过体内操控,为未来疾病的诊疗提供新的思路和方法。

1) 软组织手术机器人自主操作:2022年,来自约翰·霍普金斯大学的研究团队设计出一款智能软组织自主机器人 STAR, 并将其成果发表在Science Robotics杂志上。该机器人在没有人类指导的情况下,成功完成对一头猪的软组织腹腔镜手术。这是软组织手术机器人向自主手术操作方向迈出的重要一步。STAR 的特别之处在于,它是第一个几乎不需要人工干预规划、调整和执行软组织手术计划的机器人系统。研究团队为 STAR 配备了增强自动性和改善手术精度的新功能,这些功能包括专门的缝合工具和最先进的成像系。

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