悲痛!著名生物工程學家,「生物力學之父」馮元楨辭世……

2021-01-07 丁香通

當地時間 12 月 15 日,世界生物力學之父、首批中國科學院外籍院士馮元楨老先生,於美國聖地牙哥加州大學雅各布醫院(UCSD Jacobs Hospital)安詳離世。

跨越 100 載的光輝歲月雖已暫停,但馮老先生的人生傳奇永不謝幕,從航空學泰鬥華麗轉身至世界生物力學之父,他的一生遠比戲劇精彩。

圖片來源:微博截圖

生物力學(biomechanics)是應用力學原理和方法對生物體中的力學問題定量研究的生物物理學分支,研究對象包含之廣,從生物整體到系統、器官(包括血液、體液、臟器、骨骼等),從鳥飛、魚遊、鞭毛和纖毛運動到植物體液的輸運等,極大地推動了力學和組織學、生理學、醫學相結合。

學醫的同學想必對此不會陌生,椎間盤蛻變、脊椎矯正、心臟輔助裝置等與生物力學息息相關。作為「生物力學」之父,馮元楨老先生可謂是天時地利人和的代表。

巨星隕落,舉世同悲,筆者帶大家去回顧一下老先生的傳奇璀璨人生。

充滿傳奇色彩的求學時光

1919 年,馮元楨出生於江蘇常州的一個書香之家,彼時國家動蕩,個人命運如同浮萍。初中一年級時,日軍發動九一八事變;二年級時,日軍入侵上海,全家背井離鄉開始逃亡。

1937 年馮元楨進入中央大學航空學專業學習,青少年時期的記憶讓他深知中國生存最需要的就是飛機。

世事變遷,赤子之心永不褪色。1943 年他迎來人生的第一次轉折,美國提供了 20 個研究生資助名額,馮元楨辭別父母、遠渡重洋,開始異國深造之路。

中間經歷了路途延誤與獎學金轉贈他人等各種挫折與磨難,眼看留學希望落空。

幸而Ernie Sechler慧眼識珠,為其提供了一份助理教授的工作,他們在飛機後掠翼設計、殼體屈曲、ICBM 基礎硬化、火箭結構、燃油晃蕩等多個方向有著密切的合作,奠定了他在航空學領域的堅實基礎。

1948 年他以非凡的毅力和優異的成績獲得加州理工大學航空工程與數學的博士學位,並留校任教。

1955 年,他出版了力學與工程學專著《Theory of Aero-elasticity》,一舉成為了航天航空領域的佼佼者。這一年,他 36 歲。

充滿傳奇色彩的轉行之路

母親病重,偶然進入生理學領域

1957 年,留在中國的母親身患重病,身為人子卻不能侍奉床前,馮元楨的內心萬分煎熬。

為盡己所能,他開始研究生理學,收集大量文獻資料,並寄給國內的醫生,希望自己在母親生病的時候能提供一些正確的建議給她。

科學家的眼光是敏銳且超前的,在閱讀生理學著作的過程中,擁有工程力學知識背景的馮元楨看到了一般生理學家未曾注意的東西。他發現當人體血壓變化時,血管會很快自我重塑。

通常,血管的內壁會自動增厚,在兩到三天內其厚度增加一倍。然後血管外壁隨之變厚,約於 10 天內翻倍。此外,血管壁中的殘餘應力也會改變。

他想,在人體運動和血液循環這些生理活動的過程中,內外力的作用都是不可或缺的,殘餘應力的施加是否會引起疾病的產生呢?

壯士斷腕,開啟新的職業生涯

馮元楨想要驗證這個有趣的猜想,然而隔行如隔山,毫無人體生理學、解剖學、組織學背景的工學博士,要研究醫學問題談何容易?

彼時他已年近五十,在航空學術圈內有著崇高的地位,為更好地進行醫學研究,他從加州理工大學航空繫辭職,成為第一個也是唯一一個從這個系離開並轉行的人,到加州大學聖地牙哥分校開啟自由的科研人生。

從零開始,從航空學專家到普通醫學生

在身為名醫的妻子喻嫻才教授的支持與鼓勵下,在兩位傑出的生理學家Sobin和Zewifach的合作下,他從零開始,和所有醫學實習生一樣,學習人體解剖,驅車幾百公裡到醫院參加病例討論會,一步步學習活組織、器官的生理和力學機理。

研究最繁忙時,半夜兩三點睡覺是常事,一邊閱讀醫學文獻、一邊照顧年幼的孩子是家常便飯。

很多人無法理解,為什麼他要放棄航空學專家的身份,去涉足一個完全空白的領域呢?會成功還是會失敗,無人知曉。

圖片來源:《醫用生物力學》期刊,左一和左二是馮元楨夫婦

充滿傳奇色彩的跨界研究

填補了醫學界的空白

馮元楨最初的研究是從血液流動動力學入手,在他的實驗室中,掛著一張人體肺部血管圖,這是他最得意的作品。

當人體肺部血管受力異常時,可能會引起一種極為嚴重的疾病肺動脈高壓。他將工程力學理論與病理過程有機統一,運用全新的視野去揭示人體血球、血管、微循環的奧秘,開創了著名的「馮氏隧道理論」。

在沒有這張圖之前,醫生們並不知道人體肺部的血管分布情況,而這個問題被一位航天專家解決了。

開創性的工作令人刮目相看

在幾乎不被人看好的情況下,經過多年篳路藍縷的努力,馮元楨和他的實驗室取得三個具有裡程碑性質的成就:

生物軟組織本構關係的研究;以肺毛細血流片層流動 (Sheet flow) 模型為核心的肺血流動力學規律的研究;生物組織器官生長和應力的關係的研究。

這些成就為臨床疾病的診斷與治療提供了極大的幫助,拯救了無數患者的寶貴生命。

1981 年起,他相繼出版了《生物力學—活組織的力學特性》、《生物力學—血液循環》和《生物力學—運動、流動、應力和生長》3 本一套的生物力學經典專著並被譯為多國文字,這套專著的問世是生物力學學科發展的裡程碑。

圖片來源:馮元楨專著

馮元楨明確地提出了生物力學研究前瞻性的路線、策略和目標,提出「應力-生長」理論。

接下來的幾十年,他獲得多項令人難以望其項背的獎項:

1975 年,國際微循環學會的 Landis 獎1976 年,美國土木工程學會的 von Karman 獎1978 年,美國機械工程師學會的 Lissner 獎1981 年,「百年大獎」1984 年,Worcester Reed Warner 獎1986 年,國際生物流變學會的 Poiseuille 獎1989 年,美國生物醫學工程學會的 ALZA 獎1992 年,Timoshenko 獎1994 年,Melville 獎1998 年,美國工程院「奠基者獎」(Founders Award) 獎2000 年,美國科學最高榮譽美國科學獎,並由柯林頓總統在白宮頒獎。2007 年,「拉斯獎」(Russ prize)(學術地位堪比諾貝爾獎),以表彰他「鑑別與確定人體組織的結構與功能,使之有助於創傷的預防及減輕」的卓越貢獻。

圖片來源:加州大學聖地牙哥分校官網

充滿傳奇色彩的赤子之心

自從 1943 年離開故土後,馮元楨的心一直惦記著國家。他曾多次在國際學術會議的講壇上自豪地說:「我是中國人」,讓全世界看到中國人的貢獻與智慧。

中美關係解凍之後,馮元楨是第一批來華訪問的學者。1979 年,他身體力行,在現華中科技大學和重慶大學舉辦生物力學研習班,帶來國際最新的科研動態,同時他無償資助及指導國內年輕的科研工作者赴外深造。

他一共回國 16 次,培養了中國在這方面幾乎所有的研究人才,此外,他對臺灣、香港、新加坡以及其他地區華人的科學與工程的發展推動也是不遺餘力,影響至巨。

在馮元楨的大力推動和熱情關懷下,我國生物力學作為一門新興的交叉學科在我國起步、蓬勃發展。

作為美籍華人、「六院院士」,馮元楨老先生赤子之心,可鑑日月,巨星隕落,舉世同悲。

今年,我們失去了 32 位院士,他們在各個領域裡做出卓越貢獻,極大地推動了我國科研事業的進步。他們忘卻自我,從不計較個人得失,是真正的共和國脊梁。

斯人已逝,唯有緬懷。如果說人類進步是需要穿越過黑暗道路,科學家們就是舉著火把走在最前方的先鋒者。

從航空泰鬥到生物力學之父,馮元楨老先生的傳奇人生永不謝幕,他的精神必將照耀著我們繼續前行……

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