這個萬億元規(guī)模戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，如何打破創(chuàng)新“瓶頸”?

樊瑜波教授：在國產(chǎn)高端醫(yī)療器械領域求索源頭創(chuàng)新

半月談記者

生物醫(yī)學工程運用工程科學和技術推動醫(yī)學與健康的進步，是目前全球范圍內(nèi)發(fā)展最快的學科之一，生物醫(yī)學工程相關產(chǎn)業(yè)(醫(yī)療裝備與器械產(chǎn)業(yè)等)是關系國計民生的重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。在全球生物醫(yī)學工程領域，有一位中國學者的著作和學術研究成果經(jīng)常引起國內(nèi)外同行的關注，被評為愛思唯爾生物醫(yī)學工程領域“高被引學者”。他就是我國生物醫(yī)學工程領域領軍人物，北京航空航天大學生物醫(yī)學工程學科奠基人，樊瑜波教授。

圖片說明：樊瑜波，博士生導師，長江學者，杰青，國家自然科學基金創(chuàng)新群體帶頭人，科技部重點領域創(chuàng)新團隊帶頭人。北京航空航天大學生物醫(yī)學工程學科帶頭人，生物與醫(yī)學工程學院、醫(yī)學科學與工程學院創(chuàng)院院長，醫(yī)工交叉創(chuàng)新研究院院長。曾任中國生物醫(yī)學工程學會第七、八屆理事長，世界華人生物醫(yī)學工程協(xié)會主席等。美國醫(yī)學與生物工程院(AIMBE)、國際醫(yī)學與生物工程科學院(IAMBE)、國際醫(yī)學物理與工程科學聯(lián)合會(IUPESM)、國際生物材料科學與工程學會聯(lián)合會(IUSBSE) 會士(Fellow)。

樊瑜波教授在青少年時期，就對物理學和力學有著很高的學習熱情，在家庭的熏陶下對醫(yī)療領域產(chǎn)生了濃厚興趣。“小時候，受工程師父親和醫(yī)生姑姑的影響，我對血液流動等人體和醫(yī)學中的生物力學問題產(chǎn)生了濃厚興趣，對醫(yī)療器械的發(fā)展充滿了熱情。”這一激情驅(qū)使著樊瑜波教授走上了生物醫(yī)學工程新興交叉學科研究的道路。1987年，他畢業(yè)于北京大學力學系，這為他未來的科研之路奠定了堅實的基礎，之后他選擇南下師從中國早期生物力學研究開拓者康振黃先生，深入學習生物力學專業(yè)。1992年，他獲得四川大學(前成都科技大學)生物力學專業(yè)的博士學位。樊瑜波教授在讀博期間，我國生物力學研究尚處于起步階段，為了完成科研課題，他克服艱苦的實驗條件，創(chuàng)新了動脈血流循環(huán)模擬測試系統(tǒng)和計算機仿真算法，開展新型人工心臟瓣膜創(chuàng)新和評測技術研究。從此，他一方面在原華西醫(yī)大插班刻苦學習醫(yī)學知識，另一方面積極投入醫(yī)工交叉與融合的學習、教學和科研工作，將生物力學應用于解決心血管、骨肌、口腔系統(tǒng)的生理病理、臨床醫(yī)學和醫(yī)療器械創(chuàng)新中的問題，培養(yǎng)生物醫(yī)學工程乃至醫(yī)工交叉融合人才，取得了突出成績。

北航于2002年創(chuàng)立生物醫(yī)學工程系。2004年，樊瑜波由四川大學來到北航，肩負起了生物醫(yī)學工程系主任的職責，并于2008年建立了生物與醫(yī)學工程學院。作為學科帶頭人，樊教授帶領北航生物醫(yī)學工程學科相繼建立博士點、博士后流動站、生物力學與力學生物學教育部重點實驗室、“生物力學”111引智基地、植介入醫(yī)療器械北京市重點實驗室和轉(zhuǎn)化醫(yī)學工程工信部重點實驗室等系列平臺，建立對標國際一流面向生物醫(yī)學工程交叉前沿和高端醫(yī)療裝備與器械行業(yè)的高端人才培養(yǎng)體系，歷時18年發(fā)展成為國內(nèi)頂級并有較大國際影響力的A+學科，推動北航醫(yī)工交叉學科群快速成長。

以前沿基礎研究創(chuàng)新推動突破“卡脖子”技術壁壘

作為一個重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，中國醫(yī)療器械市場規(guī)模龐大且持續(xù)增長。“十三五”期間，我國醫(yī)療器械市場年均復合增長率達到13.6%，涌現(xiàn)出眾多技術領先的醫(yī)療設備制造企業(yè)。據(jù)報道，2022年我國醫(yī)療器械主營業(yè)收入達到1.3萬億元人民幣，成為全球第二大市場。

盡管市場規(guī)模龐大，在產(chǎn)業(yè)水平和創(chuàng)新能力方面，我們與發(fā)達國家仍存在較大差距。在高端醫(yī)療裝備與器械領域，存在著諸如原始創(chuàng)新力不足、核心部件關鍵材料不能自給、較大比例高端醫(yī)療裝備與器械及高端生產(chǎn)和性能評測裝備依賴進口、一流人才欠缺等問題。這種比芯片“卡脖子”更“要命”的問題如不迅速改變，將對我國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展以及“健康中國”戰(zhàn)略的實施產(chǎn)生極大不利影響。

醫(yī)療器械行業(yè)，是一個多學科交叉、知識密集型的領域，其中的研發(fā)和創(chuàng)新需要大量跨學科、復合型學術技術創(chuàng)新人才的支撐。只有大腦中同時運行著生物醫(yī)學和工程學兩套“操作系統(tǒng)”的交叉科學人才，才能進行原創(chuàng)性發(fā)明創(chuàng)新。然而，我國醫(yī)療器械行業(yè)起步較晚，長期以來，對于學科交叉融合的理念認知不足，在人才培養(yǎng)體系中一直存在著醫(yī)學和工程科學分離的狀態(tài)，導致了人才培養(yǎng)存在結構性體系性問題，既缺乏一大批懂工程科學的醫(yī)學專家也缺乏懂醫(yī)學的工程學家，更缺乏具有醫(yī)工融合知識和能力的跨學科創(chuàng)新型人才。

醫(yī)工交叉融合是醫(yī)學進步的重要驅(qū)動力，也是工程科學永恒的主題。從宏觀角度看，幾乎所有工程學科技術都與醫(yī)療技術、醫(yī)療裝備與醫(yī)療器械相關。醫(yī)工交叉可以大致分為兩類：一類是IT+BT，即信息技術(IT)和生物醫(yī)學技術(Biomedical Technology)的結合，包括計算機、數(shù)字科學、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等信息技術與生物醫(yī)學技術的結合，可以催生出許多醫(yī)療新技術和新的醫(yī)療器械與裝備，提高疾病診斷和治療水平。醫(yī)工交叉的另一類則是MT+BT，即機械(Mechanical Engineering)、力學(Mechanics)、材料(Materials)和制造(Manufacturing)技術與生物醫(yī)學技術(Biomedical Technology)的結合。這種結合能夠創(chuàng)造出新的生物材料、醫(yī)療器械新結構和新制造技術，是未來醫(yī)療技術和醫(yī)療器械創(chuàng)新的另一關鍵引擎。

作為學科帶頭人，樊教授帶領北航生物醫(yī)學工程學科開展了“IT+BT”和“MT+BT”模式的醫(yī)工交叉融合模式，推動北航醫(yī)工交叉學科群快速成長。作為創(chuàng)院院長，他創(chuàng)辦了國家醫(yī)學攻關產(chǎn)教融合平臺(醫(yī)工結合)、北京生物醫(yī)學工程高精尖中心以及多個部省級平臺。他還負責了生物醫(yī)學工程國家一流本科專業(yè)和生物力學國家一流本科課程，以及教育部虛擬教研室。他的工作不僅獲得了國家級教學成果一等獎1項，省級教學成果獎6項，還榮獲了全國優(yōu)秀科技工作者、北京市師德標兵、北京市高校優(yōu)秀共產(chǎn)黨員等榮譽。他共培養(yǎng)了55名博士研究生，為推動生物醫(yī)學工程學科建設和人才培養(yǎng)做出了卓越貢獻。

圖片說明：樊教授(左五)在實驗室指導學生。

秉持“力學與生命”理念，數(shù)十載科研生涯碩果累累

樊教授長期秉持“力學與生命”的理念，將生物學和工程學融合，專注于生物醫(yī)學工程領域的研究。他致力于研究與疾病和健康相關的問題，開展了新型醫(yī)療器械的基礎研究以及關鍵技術的探索，同時也積極參與醫(yī)療器械科技發(fā)展戰(zhàn)略的研究。他的研究不僅深刻地影響了生物醫(yī)學工程領域，還直接關系到產(chǎn)業(yè)發(fā)展安全和億萬民眾健康。

樊瑜波教授的科研生涯廣泛涵蓋了生物力學、力學生物學、生物材料及康復工程等領域的基礎和應用研究，開展新型醫(yī)療器械的基礎研究和關鍵技術探索，長期聚焦“力-組織/細胞-材料”相互作用及應用研究并取得突出成果。主持國家與地方重要科研項目30余項。創(chuàng)新并轉(zhuǎn)化了一批高端醫(yī)療器械，破解損傷防護機制與技術難題服務于國防。以通訊或一作在Nat Commun, Sci Adv, Adv Sci, Adv Mater, Biomaterials 等頂刊發(fā)表 SCI 論文 400余篇(Q1 區(qū) 199，H 指數(shù) 76，WOS 引用 10951 次)，Scopus 近五年全球生物醫(yī)學工程領域最活躍學者(排名第1)，愛思唯爾生物醫(yī)學工程高被引學者。受到包括美國工程院/醫(yī)學院、英國皇家工程院、歐洲科學院院士等國內(nèi)外同行高度評價，出版專著 12 部，獲授權發(fā)明專利200余件，獲教育部自然科學一等獎、黃家駟生物醫(yī)學工程一等獎等獎勵十余項。

——以力-組織/細胞-材料相互作用的多層次生物力學前沿突破，推動高端植介入醫(yī)療器械創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。隨著人口老齡化社會到來，我國正成為全球最大的骨科、心血管等醫(yī)用植介入醫(yī)療器械消費市場。可降解是其趨勢，但進入體內(nèi)后面臨復雜力學環(huán)境，并與宿主組織/細胞相互作用，還存在降解規(guī)律不明、降解不均、速率難控、力學強度維持不佳乃至過早崩塌失效等問題。樊瑜波教授在深入系統(tǒng)探索力-組織/細胞-材料相互作用的多層次生物力學機制基礎上，提出植介入器械設計/制造/評測方法并建立技術平臺;作為負責人組織實施“十二五”國家科技支撐計劃“支架、關節(jié)、人造血管等高端植介入重大產(chǎn)品研發(fā)”項目，為人工關節(jié)、血管支架等器械進口替代發(fā)揮了重要作用。創(chuàng)新了復雜近生理多尺度生物力學模擬理論和實驗技術，研制了國際領先的體外模擬實驗系統(tǒng)，進而揭示了體內(nèi)復雜力學環(huán)境下植入器械與宿主組織/細胞相互作用的生物力學與力學生物學機制;發(fā)現(xiàn)了應力調(diào)控降解規(guī)律，創(chuàng)新了一批生物力學適配性優(yōu)異的活性智能生物材料(自適應再生/抗菌抗異物/新型示蹤/自供能感知等)，研發(fā)了可精準調(diào)控應力-降解的植介入器械(具有形狀記憶功能的微創(chuàng)式可降解誘導再生型人工髓核、鎂-聚合物主動控制降解釋藥體等);突破體外評測難的瓶頸難題，研發(fā)了人工心瓣/血管支架/骨科植入物生物力學特性及疲勞檢測裝置，并成功用于植介入器械研發(fā)、評測和標準制定，構建了植介入器械高效設計/先進制造/精準評測一體化創(chuàng)新平臺。支撐了 20 余家國內(nèi)領頭企業(yè)及醫(yī)療科研、監(jiān)管機構前沿創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)及標準制定。

——人工心肺機國產(chǎn)化技術攻關。體外膜氧合(ECMO)是危重癥救治的高端體外生命支持系統(tǒng)，能替代心臟和肺的功能，為患者提供血液循環(huán)和氣血交換支持，在“新冠”引發(fā)的重癥患者救治中起到至關重要作用。ECMO全系統(tǒng)由血泵、膜肺、主機等多個復雜部件和耗材組成，集成度極高，長期以來是醫(yī)工交叉領域國際科技前沿，研發(fā)難度極大。此外，目前商用ECMO系統(tǒng)在臨床救治過程中存在長時支持氣血交換效率降低、凝血失調(diào)、血栓出血發(fā)生率高等一系列并發(fā)癥，嚴重影響患者救治。要研發(fā)ECMO全系統(tǒng)產(chǎn)品，需要醫(yī)工多學科深度交叉融合。樊瑜波教授團隊牽頭集合了“產(chǎn)學研醫(yī)評檢”多方力量，組成ECMO系統(tǒng)關鍵技術攻關團隊，并成功獲得科技部“公共安全風險防控與應急技術裝備”國家重點研發(fā)計劃項目支持。到目前為止，團隊成功攻克高度一體化血路、氣路和流路集成優(yōu)化技術、血氣/血流多參數(shù)集成化實時傳感技術、高效氣血交換中空纖維膜和長期穩(wěn)定抗血栓涂層研制技術等多項ECMO全系統(tǒng)關鍵技術，成功研制出高性能長效ECMO系統(tǒng)產(chǎn)品樣機。與目前臨床常用ECMO相比，樊教授團隊研制的高性能長效ECMO全系統(tǒng)具備更好的氣血交換性能，更優(yōu)血液相容性，更多血流/血氣實時監(jiān)測指標，更穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)性能，更快體外循環(huán)建立時間，這將極大提升ECMO系統(tǒng)使用的便利性、安全性及有效性，同時具備自主知識產(chǎn)權，成本可控，將大大減輕患者治療負擔。

——基于生物力學的康復技術創(chuàng)新，研發(fā)系列康復輔具及器械。結合腦血流動力學、神經(jīng)血管耦合原理，突破生物組織非接觸無標記半色調(diào)空間頻域近紅外成像技術，實現(xiàn)康復過程腦功能動態(tài)評估;運用骨肌發(fā)育變形及軟組織攣縮生物力學機理創(chuàng)新了腦癱患兒畸形演化預測和矯正方法;創(chuàng)新了無損傷循環(huán)輔助康復系統(tǒng);揭示了力觸覺主導多感覺權重整合模式下的運動規(guī)律，突破康復機器人交互優(yōu)化關鍵技術。研發(fā)世界首個超 100 通道近紅外腦功能成像儀;研發(fā)智能矯形器及矯正力測量儀。

——揭示人體損傷和防護生物力學機制，破解防護技術難題，創(chuàng)新防護裝備，服務國防和經(jīng)濟社會需求。國防及運動領域面臨損傷率高、防護難等挑戰(zhàn)，其本質(zhì)在于損傷機制不清、損傷耐限不準、防護技術及裝備效能不足。發(fā)現(xiàn)啄木鳥頭部“線性-旋轉(zhuǎn)”復合運動及松質(zhì)骨非均勻分布規(guī)律，揭示了舌骨安全帶緩沖、不等長喙雙重減震的損傷防護生物力學機制;揭示了核桃殼力學性能梯度分布、單細胞拉脹結構特征所致的輕質(zhì)高強增韌機制;建立了多系統(tǒng)、跨尺度人體生物力學仿真方法，突破了骨損傷微觀機理及預測技術。相關成果促進了損傷防護技術和防護產(chǎn)品創(chuàng)新。

樊瑜波教授還積極開展國家醫(yī)療器械科技發(fā)展戰(zhàn)略研究，推動我國生物醫(yī)學工程學科和醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展。在擔任中國生物醫(yī)學工程學會第七、八屆理事長期間，大力開展生物醫(yī)學工程學科和學會建設，承擔國家醫(yī)療器械和康復輔具戰(zhàn)略、國家重點研發(fā)“數(shù)字診療、生物材料、主動健康”規(guī)劃，協(xié)助國家藥監(jiān)局開展醫(yī)療器械創(chuàng)新通道建設等醫(yī)療器械監(jiān)管改革，組織編寫 NMPA《醫(yī)療器械科技前沿動態(tài)》，為國家醫(yī)療器械監(jiān)管改革出謀劃策。他是美國醫(yī)學與生物工程院、國際醫(yī)學與生物工程科學院、國際醫(yī)學物理與工程科學聯(lián)合會、國際生物材料科學與工程學會聯(lián)合會會士(Fellow)，擔任世界華人生物醫(yī)學工程協(xié)會主席、國際醫(yī)學和生物工程聯(lián)合會執(zhí)委、 世界生物力學理事會理事、生物醫(yī)學工程學科評議組成員(共同召集人)、首屆醫(yī)療器械分類委執(zhí)委、中國醫(yī)療器械創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長。創(chuàng)建 MEDNTD 國際期刊(科協(xié)卓越計劃)，擔任國內(nèi)外十余種期刊編委，主辦 WC2012 等重要國際會議，推動了生物醫(yī)學工程領域的國際交流與合作。

圖片說明：樊教授入選美國醫(yī)學與生物工程院(AIMBE)會士。

走好創(chuàng)新路，讓醫(yī)工交叉前沿領域從“跟跑”變“領跑”

回望樊教授30年深耕醫(yī)工交叉前沿及醫(yī)療器械創(chuàng)新的學術道路，是一份激情、一份堅持和始終如一的社會責任感，推動著他在學術研究與創(chuàng)新之旅中不斷求索、持續(xù)發(fā)光，如一顆璀璨之星，照亮眾多學人前行之路。

圖片說明：樊教授在中國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)峰會上做大會報告。

在當前大國深度博弈背景下，醫(yī)工交叉前沿及醫(yī)療器械創(chuàng)新正處于一個發(fā)展關鍵期。如何走好創(chuàng)新路，讓這一領域能實現(xiàn)加速科技創(chuàng)新，從“跟跑”變?yōu)椤邦I跑”?盡快縮小源頭創(chuàng)新方面的差距是最迫切需要解決的問題。樊教授認為，在當前高端醫(yī)療器械大量依賴進口、關鍵核心技術和設備受制于他人的情況下，繼續(xù)采取跟蹤模仿和拿來主義的老路是行不通的。只有通過醫(yī)工交叉基礎理論的創(chuàng)新，才有望突破醫(yī)療器械領域的關鍵問題，實現(xiàn)高水平自立自強。

為促進中國醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展，樊瑜波教授提出四點建議：

首先，要在認知上深刻樹立創(chuàng)新文化的理念，特別是崇尚探索未知、鼓勵前沿基礎研究，尊重知識、尊重發(fā)現(xiàn)、尊重創(chuàng)新，為創(chuàng)新提供穩(wěn)定的知識產(chǎn)權法律保障。

第二，要高度重視醫(yī)療器械領域的學科建設，加強生物醫(yī)學工程雙一流學科建設和醫(yī)工融合專業(yè)人才的培養(yǎng)，為創(chuàng)新注入源源不斷的人才和智力支持。加大醫(yī)工交叉融合領域的國家戰(zhàn)略性平臺建設。

第三，要積極打破學科的界限，促進醫(yī)工學科之間的交叉與融合，提升醫(yī)學人才的理工科素養(yǎng)以及工程技術人才對生命科學的深刻理解。為醫(yī)工融合人才的成長提供良好的成才環(huán)境。

第四，要鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的技術創(chuàng)新，關注前瞻性基礎研究和引領性原創(chuàng)成果的培育。推動“產(chǎn)、學、研、醫(yī)、檢、金”的協(xié)同，為國家醫(yī)療器械高水平自立自強建立堅實的基礎。

展望未來，樊教授將繼續(xù)深入研究生物醫(yī)學工程領域，為人類健康和醫(yī)療器械科技的不斷發(fā)展獻身付出;積極促進國內(nèi)外學術交流與產(chǎn)科教協(xié)同，推動醫(yī)工交叉與深度融合;以堅韌追求，持續(xù)推動科學事業(yè)前行。他深信，通過跨界合作與知識分享，將會激發(fā)更多創(chuàng)新的火花，推動科技與醫(yī)療領域的共同進步。