西安交大前沿研究:破解“美丽泡泡”背后的疼痛力学奥秘
01.03.2016 10:56
本文来源: 教育厅
皮肤烫伤、疼痛的同时表面为何会起水泡?为何牙齿受冷刺激产生的痛感比热刺激大?这些简单的生活现象,背后蕴藏着巨大的科学奥秘,具有广泛的应用前景。
西安交大卢天健教授团队主持完成的“皮肤与牙热-力-电耦合行为机理”项目,就是从解决这些简单的生活现象得到灵感。1月8日,2015年度国家科学技术奖揭晓,该项目获得国家自然科学二等奖。
卢天健回忆:2003年的一个普通夜晚,他来到鼎鼎大名的剑桥雄鹰(Eagles)酒吧——这曾是剑桥卡文迪什实验室的两位年轻学者产生灵感发现DNA双螺旋结构的地方。
此时的卢天健正在为回国做准备。思考中,他走神了,烟灰不小心烫到了手背。不一会儿,皮肤起了一个泡。这个“漂亮的半球形泡泡”引发了他的无限遐思:为什么皮肤被烫后会起泡?疼痛与力和刺激有什么关系?能不能建立一种模型,定量描述这个过程?
于是,卢天健找到了他在剑桥的“关门弟子”徐峰,共同探究其中的奥秘。随着研究的深入,他们发现北京理工大学胡更开教授关于复合材料的理论对研究有借鉴作用。同时,牙齿受热刺激的行为机理与此类似,胡更开、林敏先后加入团队,研究越来越系统化,并在大家的共同努力中,日臻完善。
小奥秘的巨大应用潜力
在医疗领域,临床热疗、仿生和感知等技术显示出强大的应用前景。但是,疼痛阻碍了热疗技术的应用,人机交互感觉的缺失制约了机器人和感知技术的发展。这当中隐藏的科学问题就是冷、热疼痛的机理不明晰,感知缺乏统一的定量评价体系。
源于“美丽泡泡”的“皮肤与牙热-力-电耦合行为机理”项目选取皮肤和牙组织作为研究对象,针对热-力刺激诱发疼痛的机理及其量化的瓶颈问题,揭示了牙齿冷、热疼痛具有显著差异的流体动力学机理,为有效指导临床热疗、仿生及感知技术在生物医疗领域的应用方案提供了理论依据,奠定了我国在生物组织热-力-电耦合理论方面的国际领先地位。
该研究成果在Springer出版社出版了疼痛力学领域第一本英文专著,在固体力学与固体物理学杂志等力学领域顶级期刊发表论文,成为近五年引用次数最多的文章,部分成果获2014年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学一等奖。
著名力学家、荷兰科学院院士vanderGiessen评论称:“徐峰和卢天健的研究填补了皮肤在异常温度下产生力学性能变化以及相关热损伤的理论空白,这些创造性的研究及模型对皮肤疾病热疗起到关键性指导作用”。
这项始于生活“偶然”的科学研究历时十几年,取得突破,是整个团队迎难而上协同作战的结果。 团队的核心人物卢天健,长期致力于“超轻多孔材料”及“生物组织热-力耦合学”的基础和应用研究,是我国在这两个前沿领域的学术带头人和连续两个973项目的首席科学家,也是剑桥大学800年历史上第一位华人Reader和第一位工程技术领域华人讲座教授。
"科学研究需要顶层设计,只有站得高、看得远,团队协同作战,才能取得成功。”卢天健说。所以,团队在保持各自独立性的同时相互借鉴,逐渐形成了自己的“作战”方式。比如,每周开组会,及时解决存在的问题、充分发挥学生的创造性、开设《如何做科研》课程,帮助学生掌握科研基本技能等。 本项目属于前沿交叉领域,涉及力学、传热学、生物力学、神经生理学等多个学科,而卢天健、徐峰、林敏则分别来自力学、多相流、材料等不同学科背景,研究难度可想而知。“最大的难点是不懂。”徐峰介绍,刚起步的时候,完全从零开始。由于不同学科对同一概念的理解不同,他为此闹过不少“笑话”。有一次,他们想从数学角度建立一个关于皮肤烧伤的模型,找医生要时,医生却给了一个动物模型。徐峰第一篇文章曾被20多家杂志社拒稿,原因是没有人从这个角度想过,觉得他们“异想天开”。但他们并不气馁,反复修改,最终这篇名为《皮肤组织的生物热力学》的文章发表在力学领域标志性的杂志JPMS上。
林敏也有同样的困难。“前半年是最痛苦的,这里面涉及的解剖学、神经生理学、传热学、固体力学、流体力学等,没一个是我懂的。”就为了“弄懂”,林敏从博士生重新当回了“本科生”,将所涉及学科的本科教材全部“啃”了一遍。 就这样,凭着一股对科研的热情和执著坚持的精神,大家一路走来,最终收获丰硕果实。“对我们做科学研究的人来说,有时候困难和挑战是必须的,在科学上就要迎难而上。我们今后的研究将会继续瞄准世界学术前沿,立足解决国家重大需求,用知识报效祖国,用科技改变生活。”卢天健说。 (信息采集:刁巧燕)
本文来源: 教育厅
01.03.2016 10:56
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