Alice White 教授在 3D 打印和生物醫(yī)學工程領域的研究歷程

制造極其精細、微小的結構，并在未來某天利用這些結構拯救生命，這就是 Alice White 教授從事的事業(yè)，她是 3D 打印和生物醫(yī)學工程領域的領軍人物。在 Alice White 長達數(shù)十年的職業(yè)生涯里，她始終對創(chuàng)新充滿熱情，一直在波士頓大學 (BU) 進行研究，利用她豐富的經(jīng)驗推動醫(yī)療技術的進步并激勵下一代工程師。



職業(yè)生涯的開始

Alice White 的職業(yè)生涯始于著名的貝爾實驗室，該實驗室是一家研究機構，以晶體管和信息理論等突破性發(fā)明而聞名。自 1925 年以來，貝爾實驗室一直是創(chuàng)新的燈塔，塑造著電信及其他領域的未來。


△ 貝爾實驗室的 Alice White

Alice White 在貝爾實驗室進行了 30 年的研究，她一路晉升成為首席科學家，致力于光子學和納米技術領域的革命性項目。盡管貝爾實驗室享有盛譽，機遇無限，但懷特的追求不止于此。她希望將自己的專業(yè)知識與更廣泛的使命相結合：成為女性在學術領域中的榜樣和倡導者。這種對更大影響力的渴望使她走向了學術界，她相信自己可以利用自己的行業(yè)經(jīng)驗來鼓勵更多女性從事工程和物理學專業(yè)。

從產業(yè)界到學術界


2013 年，Alice White 離開了貝爾實驗室，轉入學術界，加入波士頓大學工程學院。在這里，她面臨著從零開始的挑戰(zhàn)——沒有實驗室、沒有設備、沒有建立網(wǎng)絡。但她的決心和遠見很快將這塊白板打造成了一個蓬勃發(fā)展的研究中心。2014年，她創(chuàng)立了多尺度激光光刻實驗室，配備了 Nanoscribe 3D 打印機來開發(fā)用于生物醫(yī)學應用的復雜結構。

她學術生涯中的一個關鍵時刻是與波士頓大學生物設計中心創(chuàng)始主任、懷斯研究所 3D 器官工程計劃聯(lián)合負責人 Chris Chen 教授合作。Chris Chen 教授對干細胞機械性能的研究激發(fā)了 Alice White 的一個想法：利用自己在制造方面的專業(yè)知識來創(chuàng)建模擬身體狀況的 3D 環(huán)境。這促使她與 Chen 合作，使用 Nanoscribe 打印用于組織工程的微小、復雜的支架。她通過直接激光寫入技術利用雙光子聚合開發(fā)細胞支架，從而可以精確創(chuàng)建能夠影響細胞行為和組織形成的 3D 結構。


△ Alice White 教授與博士后 Matthias Imboden 交談

學術貢獻

Alice White 使用 Nanoscribe 3D 打印機所做的工作具有革命性意義。借助 Nanoscribe 3D 打印機，她能夠以令人難以置信的精度創(chuàng)建比人體細胞還小的結構。例如，她的團隊開發(fā)了一種“膨脹”支架，當在多個方向上垂直壓縮時，該支架會橫向收縮，這在傳統(tǒng)材料中并不常見。這項創(chuàng)新對于醫(yī)療設備中的微型泵（或 miniPUMP）等應用至關重要。

Nanoscribe 的多功能性不僅限于打印支架。Alice White 的實驗室還用它來制作靈敏的流量閥、用于刺激周圍神經(jīng)的納米夾，甚至還用它來制作操縱微型磁鐵的定制鑷子。


△ Nanoscribe Photonic Professional GT 納米打印機

Alice White 還探索了將 3D 打印與微機電系統(tǒng) (MEMS) 相結合的可行性。她展示了如何將 3D 微打印與 MEMS 相結合，以產生對醫(yī)學成像和組織工程應用至關重要的動態(tài)、可變形微結構。這種創(chuàng)新方法允許創(chuàng)建可定制的功能性微組件，這些微組件可以直接集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，從而增強系統(tǒng)的性能。

Alice White 表示：“得益于 Nanoscribe 工具的設計和工程設計，實驗室成員們可以突破極限，制造出極其靈活的關節(jié)和其他復雜部件。對于研究和實際應用來說，這是一款絕佳的工具。工作中最令人興奮的方面之一是有可能為醫(yī)療植入物制造可生物降解的支架。這些材料可以隨著時間的推移在體內溶解，這對于開發(fā)安全有效的植入物至關重要�！�


△ 研究生在 Alice White 的實驗室中使用 Nanoscribe

引領潮流

在與波士頓大學、密歇根大學、哈佛醫(yī)學院和其他機構合作開展的 CELL-MET（美國國家科學基金會細胞超材料工程研究中心）項目中，Alice White 的研究對推動生物醫(yī)學工程的發(fā)展至關重要。作為聯(lián)合首席研究員，她專注于創(chuàng)造功能性心臟組織以應對心臟病，主要目標是利用患者自身的干細胞開發(fā)心臟補片，這種補片能夠修復受損的心臟組織，而不會產生排斥風險。懷特在 CELL-MET 的項目由她的實驗室和 Chen 在波士頓大學的組織工程實驗室聯(lián)合開展。Alice White 表示：“項目目標是制造能夠替代或修復受損心臟組織的功能性補片。這是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，但其潛在影響是巨大的。這些補片有可能恢復心臟功能并改善無數(shù)人的生活質量。


△ 在 CELL-MET（從左至右）的 Christopher Chen、Christos Michas 和 Alice White

Alice White 的工作是工程學和生物學的完美結合，這個領域通常被稱為“工程-生物融合”。通過將機械工程與生物醫(yī)學見解相結合，Alice White 和她的同事正在開拓解決復雜健康問題的新方法。3D 打印的靈活性使他們能夠嘗試不同的設計和材料，突破組織工程的極限�！�

2022 年，Alice White 、Chen 和 CELL-MET 的一個多學科團隊利用 3D 打印技術設計了一個微型活體心室復制品，可以更準確地模擬真實器官，并為測試新的心臟病治療方法提供了一個沙箱。波士頓大學團隊的這一發(fā)明（miniPUMP）可以為在實驗室中制造肺和腎等其他器官奠定良好的基礎。


△ 支撐心臟組織的支架的大型復制品

優(yōu)秀的導師

除了開創(chuàng)性的工作之外，Alice White 還致力于在工程領域營造多元化和包容性的環(huán)境。她是波士頓大學第一位女性機械工程系主任，并強烈倡導更多女性進入 STEM 領域。她在行業(yè)和學術界的經(jīng)驗使她成為了為學生做好工程職業(yè)準備的理想導師。

Alice White 表示：“學生是波士頓大學這十年來最寶貴的財富，培養(yǎng)他們的職業(yè)生涯并看到他們在行業(yè)中取得成功是非常有意義的。提供職業(yè)發(fā)展建議并幫助他們建立人際網(wǎng)絡是作為一名導師的職責�！�

3D 打印在醫(yī)學領域的未來

Alice White 認為 3D 打印在生物醫(yī)學應用方面具有巨大潛力。例如，可生物降解樹脂的開發(fā)可以實現(xiàn)植入物在體內隨時間推移安全溶解。這將徹底改變醫(yī)療器械，使其更安全、用途更廣泛。她的實驗室繼續(xù)探索新材料和新設計，始終致力于提高 3D 打印的速度和精度。目標是縮短研究和臨床應用之間的時間。

Alice White 表示：“將研究從小組織擴展到更大的功能性組織結構的能力是主要關注點，實驗室正在探索在更大規(guī)模上復制研究成果的方法，這對于實際醫(yī)療應用至關重要。這涉及克服挑戰(zhàn)，確保組織在增大尺寸時的結構完整性和功能性。最終，目標是創(chuàng)建可植入的可行組織，這些組織可以與身體現(xiàn)有系統(tǒng)無縫整合，為嚴重組織損傷患者帶來新希望。此外，實驗室還在開發(fā)新方法，以確保這些更大的組織結構能夠持續(xù)高效地生產，這對它們最終的臨床應用至關重要�！�


△ Alice White 教授

從懷特在貝爾實驗室的工作到她在波士頓大學的開創(chuàng)性研究，她一直在不斷突破工程和醫(yī)學領域的極限。她致力于指導下一代并促進 STEM 領域的多樣性，她的努力將在未來幾年繼續(xù)激勵和改變該領域。正如她所說的那樣，“只要有合適的工具和不懈的創(chuàng)新動力，你就能做到任何事情。”