树兰文化
第九届树兰医学青年奖获奖者：刘宏教授
2023-03-16
[教育和科研经历]
刘 宏（1983.11.01—）, 生 物 医 学 检 测 专家。生于江苏省南京市。本硕毕业于南京大学，博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校分析化学专业。2013 年入选青年千人计划，2019 年入选万人计划中青年科技创新领军人才。现任东南大学生物科学与医学工程学院副院长，电子学会生物医学电子学分会青年副主任委员。长期从事现场快速检测（POCT）研究，主持或参与多个国家重点研发计划课题和国自然基金项目。带领医工交叉团队，面向临床需求开展了检测材料、器件和方法的基础与应用研究，致力于为疾病预防、诊断和监测提供新工具，以第一 / 通讯发表 SCI论文 51 篇。研究成果被美国 NIH 历史博物馆收藏 , 曾获首届江苏省“十佳双创名师”，中国电子学会“优秀科技工作者”等奖励。
[主要学术贡献]
刘宏研究员长期从事面向临床现场快速检测（POCT）的医工交叉研究，涉及检测材料、器件和方法等方面的原始创新和实际应用。在国际上首次提出了可用于 POCT的折纸微流控芯片，被美国 NIH 的历史博物馆收藏。累计获得各类项目资助 21 项，主持 19 项（纵向 15 项，横向 4 项），经费近 2 千万元。以第一 / 通讯作者在 Nature Reviews Bioengineering,Science Advances,J.Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater., ACS Nano 等刊物发表论文 51篇。论文他引共两千余次，单篇最高近四百次（第一作者）。研究成果有望应用于慢病诊疗、航天医学和运动健康等领域。
主要学术成就和贡献如下 :
一、在 POCT 试纸材料方面，在国际上首次提出变革性的光子晶体“类纸”材料，利用材料可控有序结构带来的荧光增强、光子禁带等性质，发展了对多种生物标志物的体内外检测新方法。
二、在用于 POCT 的生物传感器方面，发展了创新性的无酶金属传感器，并在国际上首次提出电解水辅助等传感新原理，发展了无创连续监测方法，并应用于疾病筛查和健康监测等领域。
三、针对新兴的穿戴式柔性电子，提出了基于镓基室温液态金属和磁场图案化的柔性器件构建方法，研发了微弱生理信号的连续监测设备和配套算法，实现了复杂环境下多种生理信号的长程连续监测。
[心路历程]
1927 年，德国物理学家，量子力学的主要创始人之一海森堡提出了著名的不确定性原理（Uncertainty principle），也称为测不准原理。该原理表明：粒子的位置与动量不可同时被确定（ΔxΔp ≥ h/4π）。这一原理背后蕴含的哲学思想同样适用于生命科学领域。例如，同样是血糖，不同部位采样测得的血糖值可能存在很大差异，不同时间采样测得的血糖值也存在很大差异。由于人体的复杂性和异质性，位置越精确、时间越精确，测量的误差就越大，难度就越大。随着生命科学研究的深入，这一问题越来越成为亟待解决的核心关键问题。
近几十年的生物医学检测技术的发展也在不断地向着这个方面努力。传统的生物医学检测将样品从采样点转移到实验室，利用实验室固定仪器进行测量。后来出现了 现 场 快 速 检 测（point-of-care testing，POCT）技术，在采样现场利用便携式的仪器快速获得检测结果。最近几年，穿戴式的监测技术成为发展热点，通过将检测仪器进一步微型化，集成于可穿戴智能设备中，致力于实现连续、实时的活体生理和生化监测。从参加科研开始，我也逐渐地向着这个方向在前进，我经常思考：生物医学领域的不确定性原理是什么，即 ΔxΔc ≥？如何能够进行突破。
我 2002 年参加江苏高考，我们那一届高考需要考九门功课，可以说“前无古人后无来者”。虽然高中的学习过程中，九门功课都不能落下，学习的过程很辛苦，但这也为我积累了丰富的知识背景，开拓了我的视野，为我以后的学习工作打下了很好的基础。我本科就读于南京大学化学专业，硕士期间进入分析化学专业学习。我的科研启蒙导师是鞠熀先教授，恩师对于科研的热情和认真细致的治学态度深深影响了我。09 年硕士毕业后，我来到美国德克萨斯大学奥斯汀分校学习，有幸遇到我人生中另一位恩师，Richard Crooks 教授，课题组自由、轻松和互助的学术氛围，使我能够勇敢尝试，去找到属于自己的研究方向。我博士期间在纸基微流控领域开展了系统研究，取得了创新性研究成果，为低成本、高性能的现场快速检测提供了新的工具。最终我提前一年半获得博士学位，并且研究成果被收藏于美国国立健康研究所 NIH 的历史博物馆。
2013 年，怀着对家乡和亲人的思念，我毅然投身祖国的教育科研事业，全职来到东南大学生物科学与医学工程学院工作。2013 年底入选国家海外高层次人才计划。在各级政府、学校和学院的支持下，组建了 POCT 课题组。2019 年，基于我回国后的研究工作，我获得“万人计划中青年科技创新领军人才”。从 2021 年开始，我担任学院副院长，主要负责学院科研等工作。十年弹指一挥间，课题组逐渐从两张实验桌，到两间房间，到即将入驻生医新大楼实验室，不断发展壮大。
回国以后我也深深感受到自己一个人的背景和能力的欠缺。POCT 技术的发展涉及物理、化学、材料、电子、生医等众多学科，需要不同背景的人才密切配合。因此，我将人才培养、人才引进和团队建设作为课题组最重要的工作。2018 年，赵超博士辞去华为海思的工作，加入课题组。2020年，马标博士毕业，入选东南大学至善博后。2021 年，郝青博士完成了在中科院化学所的博士后研究，加入课题组。2022 年，张泰铭博士完成了在新加坡国立大学的博士后研究，加入课题组。课题组形成了从材料、方法，到器件、系统，再到算法、数据的完整研发链条。从最开始的传统 POCT 研究，我们不断地进一步丰富和拓展着 POCT 的研究范畴。
在 POCT 试纸材料方面，我们在国际上首次提出变革性的光子晶体“类纸”材料，利用材料可控有序结构带来的荧光增强、光子禁带等性质，发展了对多种生物标志物的体内外检测新方法。我们发展的基于有序微纳结构“类纸”材料的高灵敏的生物分子检测方法在疾病现场快速诊断、航天医学等方面得到了初步应用。2017 年我作为课题负责人，承担了国家重点研发计划—重大科学仪器开发重点专项“基于微流控高通量芯片的新型高灵敏传感系统开发及应用”，成功参与研发了 30 种生物大分子标志物的高灵敏免疫检测系统，于 2020 年顺利通过科技部验收。2017 年我作为参与人（排名第二）参与了国家自然科学基金 -重点项目“面向航天医学的纸微纳流控分析”，将我们的检测技术应用于中国航天员训练中心的医学研究。
在 POCT 生物传感器方面，我们发展了创新性的无酶金属传感器，并在国际上首次提出电解水辅助等传感新原理，发展了无创连续监测方法，并应用于疾病筛查和健康监测等领域。我们的工作为慢病诊疗急需的生物小分子长期连续监测技术解决了关键问题，推动了分析样本从血液逐渐向汗液转变的探索，为打破西方医学在血液分析领域长期的技术和数据垄断提供了基础。2019 年华为公司立项委托我们研发基于该技术的无酶汗糖监测技术并进行人群实验。同年华为公司投资建设东南大学 -华为“运动健康创新实验室”，将可穿戴汗液分析作为主要研究方向之一。2021 年底南京市政府与东南大学和华为公司签订协议，5 年投资 5 亿元建设国家运动健康研究院，力争推动相关技术的跨越。2022 年，我作为课题负责人承担了国家重点研发计划“生物与信息融合（BT 与 IT 融合）”重点专项，负责其中大规模电化学微电极阵列芯片的研发，有望应用于超高通量的生物传感。
针对新兴的穿戴式柔性电子，我们提出了基于镓基室温液态金属和磁场图案化的柔性器件构建方法，研发了微弱生理信号的连续监测设备和配套算法，实现了复杂环境下多种生理信号的长程连续监测。我们与临床医生密切合作，推动医工交叉，致力于用工程技术手段解决生物医学问题。我们与医院心血管内科合作，开展了多元生命体征联合监测研究，研制了系列化可穿戴监测仪，正在进行二类医疗器械注册。我们与医院妇产科合作，发展了穿戴式胎动监测设备，可以捕捉孕妇日常生活中微弱的胎动信号，及时进行异常情况报警，为孕婴健康保驾护航。我们与医院疼痛科合作，将穿戴式脑电监测技术应用于疼痛评估，希望未来能够为慢性疼痛病人的精准用药和疼痛缓解提供工具。我们与医院重症医学科合作，开展了急性肾损伤病人原位尿液分析研究，还开展了基于汗液监测的重要疾病预警研究。
2022 年底，我非常荣幸的获得了“树兰医学青年奖”。这个奖不仅是对我个人的肯定，更是对我们团队的肯定，对我们一直以来坚持的研究方向的肯定。这个奖激励我们潜心笃志、淡泊名利，激励我们勇攀生命科技高峰，激励我们为“健康中国”建设和国家科学技术进步与创新做出新的、更大的贡献。感谢树兰基金！感谢郑树森院士和李兰娟院士！感谢树兰医学奖的评委！感谢默默无闻的基金会工作人员！在这个辞旧迎新的时刻，我们更加要不忘初心，牢记“生医”使命，为更好地维护健康，为更好地减轻病痛，为更好地关怀社会，做出自己的贡献。
刘宏
2023 年 1 月 8 日
（回国工作十周年纪念）
[代表性著作]
[获奖者风采]
[提名人]
