NASA:源自航空航天的最新医疗技术

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人从未比在太空行走时 显得更为渺小,或更为伟大

语宙

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太空造福人类健康

提起航天与日常生活的关系,很多人都会想到由解决航天员“内急”技术发展而来的“尿不湿”。实际上,在人类探索太空的半个多世纪里,航天技术的转移与扩散(Technology Transfer & Diffusion)一直在社会生活的各领域频繁发生,包括医疗与公共健康领域。美国NASA关于技术转移的最新文件《航天衍生品2019年报告》(Spinoff 2019)中,列出了几种从航空航天转移至医疗界的最新技术和成果。

夭折的超音速客机,成功的医疗设备导线

上个世纪90年代,NASA启动庞大的HSR(High-Speed Research/高速研究)计划,目标是开发一种以超过音速两倍速度飞行的民用运输机,可以在洛杉矶到东京的直达航班上搭载300名或更多乘客。计划因为经济性难以突破而不得不在1999年中止,但负责该项目的兰利研究中心(Langley Research Center)研发人员在为超音速飞机寻找先进复合材料的过程中,偶然发现了一种合成聚酰亚胺材料。这种非常耐用的聚合物能够制造出很好的电绝缘体,以及其他性能优异的材料。

经过了漫长的产品化、商业化努力之后,2004年,全球领先的医疗科技公司、美国美敦力(Medtronic)取得了将这一技术商业化的许可。2009年获FDA批准以来,这种被称为LaRC-SI的聚合物被广泛用于心脏再同步治疗医疗设备,使得新型起搏器更容易植入患者体内,从而帮助全世界数十万病人的心脏正常跳动。

“我当时并不知道这个产品的第一个卖点是什么,我只知道我必须把它推向市场。”为这项技术的商业化发挥了关键作用的NASA科学家罗伯特·布莱恩特(Robert Bryant)说,LaRC-SI从NASA实验室到手术室的漫长旅程,靠的是坚持、建立关系和一点运气。“在NASA的工作经历当然是有帮助的。如果我自己在车库里研发的话,这项技术很有可能根本不会面世。”

▲当年的HSR计划虽然只造出飞机模型

却带来了其他领域的创新

火星采样密封材料,缝合心脏的利器

人类已经向火星发射了不少探测器,但它们都不是返回式的。许多国家航天机构正在致力于火星采样返回的研究,其中一项关键技术在于,采样返回的样品容器需要进行严格的无菌密封,这样才能确保样品在返回地球时既不受到地球大气污染,也不会污染地球。什么样的材料能用于密封?它必须既柔韧又坚固。

一家小公司Techno Planet拿到了NASA的资金。他们与大公司合作,做出了一种独特的ePTFE挤压带,不仅满足火星样品容器的密封需求,还具有生物相容性,能够安全地植入人体内。

今天,火星采样返回仍未实现,但这种材料的研发投入已经在地球上得到了回报。除了用在国际空间站的太空电缆上,它还被用于心脏支架封装、心脏手术缝合线制造和石油天然气探测物封装。“一旦有了这种基础材料,我们能够创造出各种各样的东西去探索新的领域。”研发人员说。

▲火星密封材料用于心脏手术缝合线

从太空辐射到地球疾病,荧光涂料检测DNA损伤

宇宙中充满粒子辐射,尤以高能重粒子(HZE)辐射对人类损伤最为严重,会损害人体细胞的DNA,诱发癌症或老年痴呆症(AD)等高危疾病。地球上的居民受益于大气层和地磁场的保护,不会受到伤害。但身处地球大气层之外的航天员可能暴露在高能粒子的持续辐射中,面临巨大风险。

2008年,KromaTiD公司拿到了约翰逊航天中心 (Johnson Space Center )的小企业创新研究(SBIR)合同。用这笔启动资金,这家创业公司开发了一项技术,使用染色涂料识别此前其他技术难以察觉的DNA变异情况。

2016年,NASA用这项技术对长期身处太空的航天员斯科特·凯利(Scott Kelly)与他的同卵双胞胎兄弟马克·凯利(Mark Kelly)进行对比研究。结果表明,斯科特在太空中飞行了一段时间后发生了DNA损伤,而他留在地面的哥哥DNA则相对没有变化。发生在近地轨道上的损伤很小,但未来火星旅行可能涉及更高的辐射暴露。

染色涂料识别DNA损伤的技术,其应用早已超出航天。在地球上,它能够帮助医生通过识别致癌突变来选择治疗方法、诊断遗传条件以及发现潜在的基因意外损害情况,并在辐射灾难中通过观察染色体损伤确定辐射暴露的程度。2011年,这项技术对福岛核灾难现场附近的野猪染色体进行了检测,以确定辐射残留水平。该公司认为自己最大的机遇在基因编辑领域。“这完全是偶然的。如果没有NASA的资金支持,我们永远不会准备好进入这个市场。”公司负责人说,“我们将站在规范基因编辑的角度,将这些治疗方法引入医学第一线。”

▲荧光涂料技术识别微小的DNA损伤

从寻找宇宙暗物质开始,微型定位器的大作用

从来没有人直接“看到”暗物质,但物理学家和天文学家观察到了它们对我们的影响。一台由加州理工和喷气推进实验室建造的光纤光谱仪,计划2020年安装到夏威夷的日本斯巴鲁望远镜上,它将调查宇宙中数亿个物体的移动速度,以帮助了解暗物质和暗能量在宇宙中的分布情况。而这台仪器,需要数千个完全相同的、精确的定位器以及定位器的微型电机。

总部位于纽约的新规模技术公司(New Scale)在2003年发明了蠕动式压电直线电机。他们意识到,加州理工和喷气推进实验室的这个项目所要求的精确旋转运动,能够有助于提升他们的产品。

最终,太空望远镜的需求倒逼公司的电机产品实现了小型化、集成化。“更小和更高的集成度,使以前不可能的、在非常小的空间中移动光学元件成为可能。”公司负责人说,“它扩大了我们的供应链和客户群。“现在,这家公司在多种医疗器械上使用这项技术,包括检测艾滋病毒的便携式血液分析仪。

▲集成了两个旋转电机的微型定位器

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第 286 期

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