百年清华

张良方学长的科研之路

2016-09-20 | 江健 | 来源 清华大学化工系团委 |

清华大学化学工程系1996级校友张良方

张良方,男,1996年考入清华大学化学工程系高分子科学与工程专业,分别于2000年与2002年获得学士学位和硕士学位。2002年进入美国伊利诺伊大学香槟分校化工系,在Steve Granick教授的指导下攻读博士学位。2006~2008年加入麻省理工学院化工系,在Robert Langer教授的研究组进行博士后工作。2008年7月,加入加州大学圣地亚哥分校纳米工程系任助理教授,于2012年3月晋升为终身副教授,2014年7月晋升为终身正教授。

曾获得荣誉:2009年获得美国化学会的Victor K.LaMer奖;2013年被《麻省理工学院技术商评》杂志评为“2013年度世界最杰出青年创新专家”;2014年获美国化学工程师学会的Allan P.Colburn奖;2015年入选美国医学和生物工程学会会士。

张良方与化工系学生座谈

科研之路之——厚积薄发

张良方于1996年从安徽省考入清华大学高分子科学与工程专业,完成4年本科学习之后,他跟随于建教授研究高分子复合材料。2002年硕士毕业之际申请了几所与高分子材料有关的大学,他最后选择了伊利诺伊大学香槟分校(UIUC),以Steve Granick教授为导师,开始攻读博士学位。在读博的第一年里,抱着读完博士之后直接回国的打算,他并没有发表论文的念头,也因此被师兄师姐们看作怪人。一年之后,张良方开始对研究产生了浓厚的兴趣,他对研究细胞上的各种原子分子的性质乐此不疲,到了四年级博士毕业时就发表了12篇论文。

取得博士学位之后他面临两个研究方向的抉择,其一是生物能源,其二是生物医学,而他对health care更感兴趣,于是申请了麻省理工学院化工系Robert Langer教授的研究组。由于他的博士生导师之前已经写好了一封热情洋溢的推荐信,张良方顺利进入了生物医学的课题组,开始研究纳米材料在医学方面的应用。在MIT博士后期间发表了11篇学术论文,申请了7项国际专利,加上之前的研究成果,他开始申请大学教职。

权衡了10个学校给出的offer之后,他最后选择了加州理工大学圣地亚哥分校。因为他被这个学校的理念深深吸引:加州大学圣地亚哥校董会专为纳米领域开设了一个全新的一级学科(纳米工程系:Department of Nano-engineering),它使学校成为全世界第一个既做好纳米研究、又做好纳米工程本科教育的大学;而且圣地亚哥分校里有7所医院,使得实验室的研究与临床试验有机地结合在了一起,非常有利于医学研究。张良方于2008年7月进入纳米工程系,他所在的实验室主要立足于仿生纳米医学和交叉学科的研究,由于他所研究的方向比较新,很快就取得很多进展,他于2012年3月晋升为终身副教授,2014年7月晋升为终身正教授。

科研之路之——医学新方向

醉心于化工的张良方学长,最后却与医学结下了不解之缘,化工思维与医学制药的碰撞,诞生的是全新的仿生纳米医学领域。作为清华大学化工系本科高分子专业的学生,张良方非常感谢在化工系所受到的独特的高分子材料和化工基础知识的交叉培养,让他在研究中能做到新材料应用与过程控制及机理探索相结合,从而能做出好的成果。张良方学长在清华化工系硕士期间就在研究纳米颗粒,在UIUC化工系博士期间则与细胞膜打了很多交道,一步步走来看似跨了学科,其实是自然而然的研究领域的一步步延伸。

在抗癌药物领域有个研究方向叫做纳米颗粒递药(nano particle drug delivery)——将纳米颗粒作为药物运输的载体随血液分散到全身各处,遇到癌细胞所在区域就可以从癌细胞搭建的粗糙的毛细血管中漏出。纳米材料递药原理早已被科学家们运用于药物生产中,经过近30年的发展催生出了各种各样的递药材料,高分子材料、无机材料、有机材料,只要能够做成纳米材料注射到血液中就能递药,但不管哪一种纳米材料,只要注射到人体血液中就会面临一个共同的挑战——人体自身的免疫系统。纳米材料的大小与病毒相差无几,在100纳米左右,若不对纳米材料进行任何保护,在5-10分钟内人体的免疫系统就会将纳米材料全部清除。现在最流行的做法是躲避,即在纳米材料表面放置一层PEG高分子材料,PEG吸水之后在表面形成防水层,可以躲避免疫细胞的清除。然而最近五年的临床研究发现:因为人体自身会慢慢对其产生抗体,这种做法随着使用次数的增加,药效变差,持续时间变短。所以科学家们开始研究替代材料,张良方学长所在的实验室想采用全新的办法——伪装,即将红细胞与免疫细胞之间存在的识别、对话机制移用到纳米材料中来。他们首先想到的、也是最常规的思路是将红细胞表面的一些特定蛋白放到纳米材料表面,然而经过仔细研究之后却发现要将红细胞表面的蛋白全部合成出来不太现实。于是他转换思路,以化学工程思维来思考这个难题,最后发现只需要将红细胞里面的物质去除,然后将红细胞的膜覆盖在纳米材料的表面,这样一来根本不需考虑红细胞表面的蛋白种类、功能、分布等复杂问题,极大地简化了问题,经临床试验,可以将药物在血液中的半衰期从15h提高到40h,不可谓不是医学领域的一个大突破。

在深入研究仿生纳米医学技术的过程中,张良方学长所在的实验室联想到了他们所研究的另外一个课题——超级细菌。超级细菌本身杀不死人,也不会杀死细胞,但它就像一个能释放毒素的大毒源,毒素遇到红血球就将其穿洞破坏,从而带来一系列疾病。治疗超级细菌的一个理念是disarm,即清除掉超级细菌释放的毒素,免疫细胞便能清除掉超级细菌。而传统的思路是开发特定的抗体类新药针对毒素,然而一种抗体只能针对某种特定的毒素,若超级细菌本身可以释放多种不同的毒素,清除掉毒素的难度极大。张良方学长他们借鉴之前利用红细胞包裹纳米材料进行递药的思路,研发出了名为“纳米海绵”的技术,即用红细胞膜包裹纳米材料,充分利用纳米材料的技术,将一个红细胞做成3300多个纳米海绵,毒素攻击这些纳米海绵,将自身锁定在假细胞膜上,从而清除掉毒素。相比于原来的技术,这项“纳米海绵”技术的效率提高了50-100倍,且实现了广普、万能的目标。

在经过了最早期关于红细胞的应用研究之后,张良方学长的实验室现在可以把各种各样细胞的细胞膜进行分离,比如血小板、癌细胞等,利用这些膜就可以做出很好的仿生材料,为医学药物的研究提供了一个全新的方向和可能。而今全世界有几十个实验室都在用他们研究出的cell membrane coating technology技术,开发出多方面的应用。

科研之路之——致学弟学妹们

多年的实验室经历使张良方学长积累很多了经验。每一次做实验之前,他会反复思索实验的各个步骤,操作细节,各个控制变量,可能结果等方面并记录在笔记本中,并与他人的做法进行对比不断琢磨。若是实验结果与预期成果不同,这时他会更深入地了解,找出这背后的玄机所在。他坦言自己发表的一些论文并不是一开始想做的成果,而是在实验出现偏差之后不断探索的产物。他认为,实验如果做得一帆风顺,往往学到的知识很有限;当遇到挫折时,如果能坚持下去,不断地改变环境和条件从而找出问题所在,反而不会浮于研究问题的表面,而是了解到更多更为具体的知识。

张良方学长也鼓励同学们不要畏惧调整方向的问题,在他看来,调整方向是一个加速的过程,随着知识的不断积累,通过不断的学习和交流,即时了解领域里的最新进展和突破,在新的领域里也能发挥出自己的才能,而且学科交叉更可能带来意料之外的惊喜。

参加座谈会的同学与张良方学长合影

座谈会结束之后,张良方学长提笔在卷轴上写下了“科学研究,从本科开始”的寄语,以此勉励学弟学妹们在本科阶段夯实基础,为以后铺就一条更宽更广的科研之路!

(采访人:李容、江健)


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