樊瑜波教授：在国产高端医疗器械领域求索源头创新

这个万亿元规模战略新兴产业，如何打破创新“瓶颈”?

樊瑜波教授：在国产高端医疗器械领域求索源头创新

半月谈记者

生物医学工程运用工程科学和技术推动医学与健康的进步，是目前全球范围内发展最快的学科之一，生物医学工程相关产业(医疗装备与器械产业等)是关系国计民生的重要战略新兴产业。在全球生物医学工程领域，有一位中国学者的著作和学术研究成果经常引起国内外同行的关注，被评为爱思唯尔生物医学工程领域“高被引学者”。他就是我国生物医学工程领域领军人物，北京航空航天大学生物医学工程学科奠基人，樊瑜波教授。

图片说明：樊瑜波，博士生导师，长江学者，杰青，国家自然科学基金创新群体带头人，科技部重点领域创新团队带头人。北京航空航天大学生物医学工程学科带头人，生物与医学工程学院、医学科学与工程学院创院院长，医工交叉创新研究院院长。曾任中国生物医学工程学会第七、八届理事长，世界华人生物医学工程协会主席等。美国医学与生物工程院(AIMBE)、国际医学与生物工程科学院(IAMBE)、国际医学物理与工程科学联合会(IUPESM)、国际生物材料科学与工程学会联合会(IUSBSE) 会士(Fellow)。

樊瑜波教授在青少年时期，就对物理学和力学有着很高的学习热情，在家庭的熏陶下对医疗领域产生了浓厚兴趣。“小时候，受工程师父亲和医生姑姑的影响，我对血液流动等人体和医学中的生物力学问题产生了浓厚兴趣，对医疗器械的发展充满了热情。”这一激情驱使着樊瑜波教授走上了生物医学工程新兴交叉学科研究的道路。1987年，他毕业于北京大学力学系，这为他未来的科研之路奠定了坚实的基础，之后他选择南下师从中国早期生物力学研究开拓者康振黄先生，深入学习生物力学专业。1992年，他获得四川大学(前成都科技大学)生物力学专业的博士学位。樊瑜波教授在读博期间，我国生物力学研究尚处于起步阶段，为了完成科研课题，他克服艰苦的实验条件，创新了动脉血流循环模拟测试系统和计算机仿真算法，开展新型人工心脏瓣膜创新和评测技术研究。从此，他一方面在原华西医大插班刻苦学习医学知识，另一方面积极投入医工交叉与融合的学习、教学和科研工作，将生物力学应用于解决心血管、骨肌、口腔系统的生理病理、临床医学和医疗器械创新中的问题，培养生物医学工程乃至医工交叉融合人才，取得了突出成绩。

北航于2002年创立生物医学工程系。2004年，樊瑜波由四川大学来到北航，肩负起了生物医学工程系主任的职责，并于2008年建立了生物与医学工程学院。作为学科带头人，樊教授带领北航生物医学工程学科相继建立博士点、博士后流动站、生物力学与力学生物学教育部重点实验室、“生物力学”111引智基地、植介入医疗器械北京市重点实验室和转化医学工程工信部重点实验室等系列平台，建立对标国际一流面向生物医学工程交叉前沿和高端医疗装备与器械行业的高端人才培养体系，历时18年发展成为国内顶级并有较大国际影响力的A+学科，推动北航医工交叉学科群快速成长。

以前沿基础研究创新推动突破“卡脖子”技术壁垒

作为一个重要的战略新兴产业，中国医疗器械市场规模庞大且持续增长。“十三五”期间，我国医疗器械市场年均复合增长率达到13.6%，涌现出众多技术领先的医疗设备制造企业。据报道，2022年我国医疗器械主营业收入达到1.3万亿元人民币，成为全球第二大市场。

尽管市场规模庞大，在产业水平和创新能力方面，我们与发达国家仍存在较大差距。在高端医疗装备与器械领域，存在着诸如原始创新力不足、核心部件关键材料不能自给、较大比例高端医疗装备与器械及高端生产和性能评测装备依赖进口、一流人才欠缺等问题。这种比芯片“卡脖子”更“要命”的问题如不迅速改变，将对我国医疗器械产业的长期发展以及“健康中国”战略的实施产生极大不利影响。

医疗器械行业，是一个多学科交叉、知识密集型的领域，其中的研发和创新需要大量跨学科、复合型学术技术创新人才的支撑。只有大脑中同时运行着生物医学和工程学两套“操作系统”的交叉科学人才，才能进行原创性发明创新。然而，我国医疗器械行业起步较晚，长期以来，对于学科交叉融合的理念认知不足，在人才培养体系中一直存在着医学和工程科学分离的状态，导致了人才培养存在结构性体系性问题，既缺乏一大批懂工程科学的医学专家也缺乏懂医学的工程学家，更缺乏具有医工融合知识和能力的跨学科创新型人才。

医工交叉融合是医学进步的重要驱动力，也是工程科学永恒的主题。从宏观角度看，几乎所有工程学科技术都与医疗技术、医疗装备与医疗器械相关。医工交叉可以大致分为两类：一类是IT+BT，即信息技术(IT)和生物医学技术(Biomedical Technology)的结合，包括计算机、数字科学、互联网、人工智能等信息技术与生物医学技术的结合，可以催生出许多医疗新技术和新的医疗器械与装备，提高疾病诊断和治疗水平。医工交叉的另一类则是MT+BT，即机械(Mechanical Engineering)、力学(Mechanics)、材料(Materials)和制造(Manufacturing)技术与生物医学技术(Biomedical Technology)的结合。这种结合能够创造出新的生物材料、医疗器械新结构和新制造技术，是未来医疗技术和医疗器械创新的另一关键引擎。

作为学科带头人，樊教授带领北航生物医学工程学科开展了“IT+BT”和“MT+BT”模式的医工交叉融合模式，推动北航医工交叉学科群快速成长。作为创院院长，他创办了国家医学攻关产教融合平台(医工结合)、北京生物医学工程高精尖中心以及多个部省级平台。他还负责了生物医学工程国家一流本科专业和生物力学国家一流本科课程，以及教育部虚拟教研室。他的工作不仅获得了国家级教学成果一等奖1项，省级教学成果奖6项，还荣获了全国优秀科技工作者、北京市师德标兵、北京市高校优秀共产党员等荣誉。他共培养了55名博士研究生，为推动生物医学工程学科建设和人才培养做出了卓越贡献。

图片说明：樊教授(左五)在实验室指导学生。

秉持“力学与生命”理念，数十载科研生涯硕果累累

樊教授长期秉持“力学与生命”的理念，将生物学和工程学融合，专注于生物医学工程领域的研究。他致力于研究与疾病和健康相关的问题，开展了新型医疗器械的基础研究以及关键技术的探索，同时也积极参与医疗器械科技发展战略的研究。他的研究不仅深刻地影响了生物医学工程领域，还直接关系到产业发展安全和亿万民众健康。

樊瑜波教授的科研生涯广泛涵盖了生物力学、力学生物学、生物材料及康复工程等领域的基础和应用研究，开展新型医疗器械的基础研究和关键技术探索，长期聚焦“力-组织/细胞-材料”相互作用及应用研究并取得突出成果。主持国家与地方重要科研项目30余项。创新并转化了一批高端医疗器械，破解损伤防护机制与技术难题服务于国防。以通讯或一作在Nat Commun, Sci Adv, Adv Sci, Adv Mater, Biomaterials 等顶刊发表 SCI 论文 400余篇(Q1 区 199，H 指数 76，WOS 引用 10951 次)，Scopus 近五年全球生物医学工程领域最活跃学者(排名第1)，爱思唯尔生物医学工程高被引学者。受到包括美国工程院/医学院、英国皇家工程院、欧洲科学院院士等国内外同行高度评价，出版专著 12 部，获授权发明专利200余件，获教育部自然科学一等奖、黄家驷生物医学工程一等奖等奖励十余项。

——以力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学前沿突破，推动高端植介入医疗器械创新和产业发展。随着人口老龄化社会到来，我国正成为全球最大的骨科、心血管等医用植介入医疗器械消费市场。可降解是其趋势，但进入体内后面临复杂力学环境，并与宿主组织/细胞相互作用，还存在降解规律不明、降解不均、速率难控、力学强度维持不佳乃至过早崩塌失效等问题。樊瑜波教授在深入系统探索力-组织/细胞-材料相互作用的多层次生物力学机制基础上，提出植介入器械设计/制造/评测方法并建立技术平台;作为负责人组织实施“十二五”国家科技支撑计划“支架、关节、人造血管等高端植介入重大产品研发”项目，为人工关节、血管支架等器械进口替代发挥了重要作用。创新了复杂近生理多尺度生物力学模拟理论和实验技术，研制了国际领先的体外模拟实验系统，进而揭示了体内复杂力学环境下植入器械与宿主组织/细胞相互作用的生物力学与力学生物学机制;发现了应力调控降解规律，创新了一批生物力学适配性优异的活性智能生物材料(自适应再生/抗菌抗异物/新型示踪/自供能感知等)，研发了可精准调控应力-降解的植介入器械(具有形状记忆功能的微创式可降解诱导再生型人工髓核、镁-聚合物主动控制降解释药体等);突破体外评测难的瓶颈难题，研发了人工心瓣/血管支架/骨科植入物生物力学特性及疲劳检测装置，并成功用于植介入器械研发、评测和标准制定，构建了植介入器械高效设计/先进制造/精准评测一体化创新平台。支撑了 20 余家国内领头企业及医疗科研、监管机构前沿创新、产品研发及标准制定。

——人工心肺机国产化技术攻关。体外膜氧合(ECMO)是危重症救治的高端体外生命支持系统，能替代心脏和肺的功能，为患者提供血液循环和气血交换支持，在“新冠”引发的重症患者救治中起到至关重要作用。ECMO全系统由血泵、膜肺、主机等多个复杂部件和耗材组成，集成度极高，长期以来是医工交叉领域国际科技前沿，研发难度极大。此外，目前商用ECMO系统在临床救治过程中存在长时支持气血交换效率降低、凝血失调、血栓出血发生率高等一系列并发症，严重影响患者救治。要研发ECMO全系统产品，需要医工多学科深度交叉融合。樊瑜波教授团队牵头集合了“产学研医评检”多方力量，组成ECMO系统关键技术攻关团队，并成功获得科技部“公共安全风险防控与应急技术装备”国家重点研发计划项目支持。到目前为止，团队成功攻克高度一体化血路、气路和流路集成优化技术、血气/血流多参数集成化实时传感技术、高效气血交换中空纤维膜和长期稳定抗血栓涂层研制技术等多项ECMO全系统关键技术，成功研制出高性能长效ECMO系统产品样机。与目前临床常用ECMO相比，樊教授团队研制的高性能长效ECMO全系统具备更好的气血交换性能，更优血液相容性，更多血流/血气实时监测指标，更稳定的运转性能，更快体外循环建立时间，这将极大提升ECMO系统使用的便利性、安全性及有效性，同时具备自主知识产权，成本可控，将大大减轻患者治疗负担。

——基于生物力学的康复技术创新，研发系列康复辅具及器械。结合脑血流动力学、神经血管耦合原理，突破生物组织非接触无标记半色调空间频域近红外成像技术，实现康复过程脑功能动态评估;运用骨肌发育变形及软组织挛缩生物力学机理创新了脑瘫患儿畸形演化预测和矫正方法;创新了无损伤循环辅助康复系统;揭示了力触觉主导多感觉权重整合模式下的运动规律，突破康复机器人交互优化关键技术。研发世界首个超 100 通道近红外脑功能成像仪;研发智能矫形器及矫正力测量仪。

——揭示人体损伤和防护生物力学机制，破解防护技术难题，创新防护装备，服务国防和经济社会需求。国防及运动领域面临损伤率高、防护难等挑战，其本质在于损伤机制不清、损伤耐限不准、防护技术及装备效能不足。发现啄木鸟头部“线性-旋转”复合运动及松质骨非均匀分布规律，揭示了舌骨安全带缓冲、不等长喙双重减震的损伤防护生物力学机制;揭示了核桃壳力学性能梯度分布、单细胞拉胀结构特征所致的轻质高强增韧机制;建立了多系统、跨尺度人体生物力学仿真方法，突破了骨损伤微观机理及预测技术。相关成果促进了损伤防护技术和防护产品创新。

樊瑜波教授还积极开展国家医疗器械科技发展战略研究，推动我国生物医学工程学科和医疗器械行业发展。在担任中国生物医学工程学会第七、八届理事长期间，大力开展生物医学工程学科和学会建设，承担国家医疗器械和康复辅具战略、国家重点研发“数字诊疗、生物材料、主动健康”规划，协助国家药监局开展医疗器械创新通道建设等医疗器械监管改革，组织编写 NMPA《医疗器械科技前沿动态》，为国家医疗器械监管改革出谋划策。他是美国医学与生物工程院、国际医学与生物工程科学院、国际医学物理与工程科学联合会、国际生物材料科学与工程学会联合会会士(Fellow)，担任世界华人生物医学工程协会主席、国际医学和生物工程联合会执委、 世界生物力学理事会理事、生物医学工程学科评议组成员(共同召集人)、首届医疗器械分类委执委、中国医疗器械创新联盟副理事长。创建 MEDNTD 国际期刊(科协卓越计划)，担任国内外十余种期刊编委，主办 WC2012 等重要国际会议，推动了生物医学工程领域的国际交流与合作。

图片说明：樊教授入选美国医学与生物工程院(AIMBE)会士。

走好创新路，让医工交叉前沿领域从“跟跑”变“领跑”

回望樊教授30年深耕医工交叉前沿及医疗器械创新的学术道路，是一份激情、一份坚持和始终如一的社会责任感，推动着他在学术研究与创新之旅中不断求索、持续发光，如一颗璀璨之星，照亮众多学人前行之路。

图片说明：樊教授在中国医疗器械产业峰会上做大会报告。

在当前大国深度博弈背景下，医工交叉前沿及医疗器械创新正处于一个发展关键期。如何走好创新路，让这一领域能实现加速科技创新，从“跟跑”变为“领跑”?尽快缩小源头创新方面的差距是最迫切需要解决的问题。樊教授认为，在当前高端医疗器械大量依赖进口、关键核心技术和设备受制于他人的情况下，继续采取跟踪模仿和拿来主义的老路是行不通的。只有通过医工交叉基础理论的创新，才有望突破医疗器械领域的关键问题，实现高水平自立自强。

为促进中国医疗器械产业自主创新和高质量发展，樊瑜波教授提出四点建议：

首先，要在认知上深刻树立创新文化的理念，特别是崇尚探索未知、鼓励前沿基础研究，尊重知识、尊重发现、尊重创新，为创新提供稳定的知识产权法律保障。

第二，要高度重视医疗器械领域的学科建设，加强生物医学工程双一流学科建设和医工融合专业人才的培养，为创新注入源源不断的人才和智力支持。加大医工交叉融合领域的国家战略性平台建设。

第三，要积极打破学科的界限，促进医工学科之间的交叉与融合，提升医学人才的理工科素养以及工程技术人才对生命科学的深刻理解。为医工融合人才的成长提供良好的成才环境。

第四，要鼓励产业链各环节的技术创新，关注前瞻性基础研究和引领性原创成果的培育。推动“产、学、研、医、检、金”的协同，为国家医疗器械高水平自立自强建立坚实的基础。

展望未来，樊教授将继续深入研究生物医学工程领域，为人类健康和医疗器械科技的不断发展献身付出;积极促进国内外学术交流与产科教协同，推动医工交叉与深度融合;以坚韧追求，持续推动科学事业前行。他深信，通过跨界合作与知识分享，将会激发更多创新的火花，推动科技与医疗领域的共同进步。