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9、多尺度時空超分辨醫學成像儀器。醫學成像儀器利用電磁波（X射線、正電子或光子）或聲波等與研究對象的相互作用，在宏觀、介觀、微觀、納觀尺度上獲取疾病相關的結構、生理、細胞或分子的時間序列信息。提供結構和生理信息的宏觀成像系統如X射線斷層成像、核磁共振成像、超聲、正電子發射斷層成像、單光子發射斷層成像，已經在臨床實踐中廣泛應用（見一文了解常見醫學影像設備）。藉助成像儀器，人類不斷延伸和擴展在時空間分辨和識別判讀等方面的能力。可以說，成像技術為推動醫學和生命科學的發展發揮了巨大作用。惡性腫瘤和心腦血管疾病作為人類健康殺手，是導致人類死亡率最高的兩類疾病。科學技術發展對這些疾病的診斷與預警提出更高要求，這是傳統成像儀器難以勝任的。新現象的發現，優化技術、探測技術、高速採集和信號處理技術的發展，為成像儀器發展注入新鮮血液。
理想的成像儀器應該是定量且高時空分辨的，能夠得到高靈敏度和高特異性的組織結構信息、生理代謝信息、分子信息甚至基因信息，為臨床醫生對疾病的診斷和監控提供全面的幫助。目前，歐美等地區的政府、學術界、工業界高度重視這樣的成像儀器研發。「分子影像」「精準醫學」和各種「腦計劃」無不依賴多尺度時空超分辨醫學成像儀器的進步。多尺度時空超分辨醫學成像儀器的主要研究方向包括：①發展超高時間分辨、空間分辨的結構與功能成像技術，以及圖像處理分析新方法，為疾病診斷提供新工具；醫學成像儀器能夠在活體狀態下對生物過程進行定性和定量研究，對生物體生理、病理變化進行實時、動態、無創成像。高時間解析度、高空間解析度和高靈敏度對於醫學成像儀器至關重要。超快磁共振成像（MRI）、超聲成像、低劑量CT、正電子發射型計算機斷層顯像（PET）、超光學衍射極限的顯微成像儀器都是人們研究的目標。②發展多參數時空動態同時成像系統，揭示各監測參數之間的關聯，從各參數響應的快慢推測病理生理反應中的因果關係，詮釋病理生理反應機制；憑單一生理指標的變化難以全面判斷腫瘤病理生理狀態，亟須一種能夠同時進行多病理生理參數綜合評價的成像儀器。可以同時對多個生理參數成像的多示蹤劑PET成像儀器和指紋MRI技術是發展方向之一，而多色螢光成像儀器可以實現多個結構的同時顯像。聯合利用光、聲、電、磁、粒子等手段，發展覆蓋分子—細胞—組織—器官等多個尺度的在體高分辨成像理論與技術。③發展融入人工智慧的新型成像儀器。人工智慧自出現以來，經歷了2次低谷、3次浪潮，隨著算法、算力和大數據的發展，人工智慧尤其是機器學習的算法迅速發展，其中深度學習作為機器學習的領域之一，發展更為迅猛。成像儀器必將與人工智慧深度結合，出現新一代成像儀器。目前已有多款人工智慧診斷系統獲註冊投入臨床應用。④發展新原理成像儀器，向人們無法觸及的領域邁進。2016年，Nature發表偏振核成像技術，它利用MRI技術實現核成像，使得圖像既有核醫學圖像的功能信息，也有MRI成像的高分辨特性。其他的可能性技術太赫茲、其他粒子波等。
10．醫用機器人與數位化智能醫療。AI是一種用於模擬和延展人類智能的理論、方法與應用的技術科學，智能醫療即利用AI方法，輔助或替代人類進行醫療行為的科學，如開展醫學數據驅動下的健康篩查與預警、疾病診斷與治療、康復訓練與評估、醫療服務與管理、藥物篩選與評估、基因測序與表型等典型生物醫藥領域的精準、智能、安全應用，其中醫用機器人是智能醫療的一個重要分支。在全球老齡化與醫療資源相對不足的背景下，機器人及智能醫療被視為醫療服務補充、服務質量效率提升的重要手段，成為醫療產業發展的重要內容。
醫用機器人與智能醫學的研究現狀集中在6方面。①健康篩查與預警，主要涉及疾病篩查、慢性疾病管理、穿戴式健康監測等，如利用深度神經網絡和模糊控制等方法，開展阿爾茨海默病分類、高血壓管理、糖尿病識別（糖尿病分型、糖尿病性視網膜病變等並發疾病篩查）等，實現慢病的及時預警和有效管理。②疾病診斷與治療，主要涉及病灶自動識別、治療智能決策、療效科學評估、機器人輔助手術及遠程手術等，如通過深度學習等方法將定量化診斷、疾病預後有機結合，已用於肺癌、宮頸癌、乳腺癌、胃腸癌、鼻咽癌、皮膚癌等疾病的病理診斷，可用於影像篩查，降低誤診率、降低人力成本；智慧機器人技術在腔鏡外科、骨科、神經外科、整形外科等方向獲得了廣泛應用。③康復訓練與評估，主要涉及認知障礙康復、失能和殘疾人康復、機器人護理、智能假肢與矯形器（含外骨骼輔具）等；將虛擬實境、智慧機器人聯合AI技術應用於殘障康復，出現了智能假肢、康復訓練機器人、外骨骼輔具和矯形器、陪護機器人、智能床椅、虛擬實境康復系統、電子人工喉等。④醫療服務與管理，主要涉及電子病歷管理、智能自動送藥、醫學物聯網服務等，如電子病例錄入及管理的智能化已經在臨床逐漸實施，極大減少醫務人員的工作強度、顯著提高工作效率。⑤藥物篩選與評估，主要涉及藥物靶點確認、藥物篩選、藥物有效性測試、藥物安全性評估與不良反應數據管理等；AI技術已經在藥物靶點確認、藥物篩選、藥物安全性評估、藥物有效性測試、數據收集等方面得到較多應 用，並開始用於中醫藥的藥理學評估。⑥基因測序與表型，主要涉及基因篩查、基因組測序、基因編輯、個體化精準醫療等；整合患者病理樣本特徵提取和基因組測序數據，採用基因篩查、基因組測序和基因編輯等手段來進行疾病預測和檢測，進而結合臨床指南和循證醫學開展個體化治療。
醫用機器人與智能醫學市場需求巨大：基於AI的臨床決策支持系統，利用AI技術來綜合臨床知識、患者主客觀病情信息，輔助臨床醫護人員進行綜合分析判斷，增強醫療幹預能力，提升醫護決策和行動的精準性、個體化和效率，提高醫療質量和服務水平；通過自然語言處理、知識工程、計算機視覺、機器學習，融合生物醫學相關技術，挖掘圖像、影像、文本等結構多樣的醫療大數據中的潛在關聯與知識，構建數據與知識融合支撐下的臨床診療推理邏輯、分類與預測模型，並將形成的系統與模型集成、內嵌到臨床信息系統與診療流程之中，為醫療人員提供可交互的決策支持能力。包括包括：疾病信息分析處理、疾病風險預測、疾病智能診斷支持、患者用藥指導、輔助醫師治療、患者疾病預後預防幹預等；目前應用最為廣泛的是面向專科化的智能疾病診斷支持，如類風溼關節炎、癌症、肺病、心臟病、糖尿病視網膜病變、肝炎、阿爾茨海默病、肝病、登革熱和帕金森病。AI在生物醫藥方面的應用正從病理診斷向臨床治療發展，AI與機器人、第五代移動通信（5G）等前沿技術的融合正在變革現代治療理念和手段，5G + 健康醫療應用廣泛、日趨成熟，主要類型有：無線監護、移動輸液、移動護理、患者定位等基於醫療設備數據無線採集的醫療監測與護理類應用，移動查房、遠程診斷、遠程會診、移動急救等基於視頻與圖像交互的醫療診斷與指導類應用，遠程機器人超聲檢查、遠程機器人內鏡檢查、遠程機器人手術等基於視頻與力反饋的遠程操控類應用。5G + 健康醫療是未來健康醫療的重要組成部分。AI在藥物研發和基因工程中的應用也成為熱點。醫用機器人與智能醫學的應用研究，通過彌補人類能力短板的智能輔助形式，推動現代醫學進入新的發展階段，促進醫療健康進入量化分析、個體化規劃、實時監控等新的層次。智能醫療發展的基礎在於解決複雜醫學知識規範化表達，多源知識整合，語義標準化；系統應用拓展方向有可解釋與可移植性能力提升，面向多模態數據、多學科的臨床決策支持；機械、電子、醫學等學科融合發展；相關產業發展的關鍵在於人機互動增強臨床決策模式，倫理準則、監管機制與執業資格定位。
11、用於組織修復的高性能新型生物材料製備。生物醫用材料(BiomedicalMaterials)是用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的材料。它是研究人工器官和醫療器械的基礎，已成為當代材料學科的重要分支，尤其是隨著生物技術的蓬勃發展和重大突破，生物醫用材料已成為各國科學家競相進行研究和開發的熱點。依據生物材料的發展歷史及材料本身的特點，可以將已有的材料分為三代，它們各自都有自己明顯的特點和發展時期，代表了生物醫用材料發展的不同水平。20世紀初第一次世界大戰以前所使用的醫用材料可歸於第一代生物醫用材料，代表材料有石膏、各種金屬、橡膠以及棉花等物品，這一代的材料大都被現代醫學所淘汰。第二代生物醫用材料的發展是建立在醫學、材料科學（尤其是高分子材料學）、生物化學、物理學及大型物理測試技術發展的基礎之上的。研究工作者也多由材料學家或主要由材料學家與醫生合作來承擔。代表材料有羥基磷灰石、磷酸三鈣、聚羥基乙酸、聚甲基丙烯酸羥乙基酯、膠原、多肽、纖維蛋白等。這類材料與第一代生物醫用材料一樣，研究的思路仍然是努力改善材料本身的力學、生化性能，以使其能夠在生理環境下有長期的替代、模擬生物組織的功能。
羥基磷灰石
第三代生物醫用材料是一類具有促進人體自修復和再生作用的生物醫學複合材料，它以對生物體內各種細胞組織、生長因子、生長抑素及生長基質等結構和性能的了解為基礎來建立生物醫用材料的概念。它們一般是由具有生理「活性」的組元及控制載體的「非活性」組元所構成，具有比較理想的修復再生效果。其基本思想是通過材料之間的複合，材料與活細胞的融合，活體材料和人工材料的雜交等手段，賦予材料具有特異的靶向修復、治療和促進作用，從而達到病變組織主要甚至全部由健康的再生組織所取代。骨形態發生蛋白（BMP）材料是第三代生物醫用材料中的代表材料。
傳統的生物醫用材料已難以滿足臨床要求，當前生物醫學材料的發展朝著賦予材料生物結構和生物功能，重建或恢復受損組織的方向發展。目前主要發展的生物材料包含眼科：角膜接觸鏡，人工晶體，人工角膜，治療青光眼植入材料、眼科手術用玻璃體填充物、粘彈劑等;牙科：牙種植體、口腔頜面外科植入材料和義齒材料;骨科：脊柱和關節類，骨組織人工修復材料，3D列印骨科植入物;心腦血管：腦血管、外周血管植入材料，可降解支架等;神經外科，神經修復導管;其他：功能性敷料、可降解快速止血材料等。
以骨科材料為例，隨著我國社會快速發展以及人口老齡化日趨嚴重，各種原因引起的骨創傷病例快速增加，大段骨、老年骨癒合是臨床面臨的挑戰，研究新型骨修復材料意義重大。骨修復生物材料要求具有三維多孔結構，以利於血管長入從而利於骨再生。3D列印技術製備的多孔支架材料不僅可以構建與缺損骨組織相匹配的複雜外形，還可以精確調控內部孔隙結構以及仿生天然骨結構，提高促進成骨的活性，具有巨大應用前景。早期3D列印多孔支架通常局限於單一材料，而綜合多種材料的優點並通過組成與結構控制來調控骨修復支架材料的最適參數（如孔徑、孔隙率、降解速率和力學強度等），特別是從結構與組成仿生角度，以達到最優的骨修復效果是研究發展趨勢。同時構建神經、血管網絡等精細結構，重現骨組織功能的複雜多樣性，也是目前3D列印多孔支架追求的目標。另一方面，近年來骨修復材料的重要進展就是從細胞和分子水平來指導生物材料的合成和材料表面結構的控制，從而形成具有「主動修復功能」和「組織微環境響應特性」的新型可降解生物活性骨修復材料。基於這個理念，新型骨修復材料的研究集中在材料的化學組成與結構對細胞和組織的誘導作用上，包括新型生物材料合成、材料表面的活化和納微米結構的構建。
完
細胞之與人，人之於宇宙
1、 浙商證券、興業證券、中金公司報告
2、 中科院全球工程前沿
3、 Opportunities forSmall Molecules in Cancer Immunotherapy. Trends Immunol. 2020Jun;41(6):493-511.
4、 方銳, 暢飛,孫照霖, et al. CRISPR/Cas9介導的基因組定點編輯技術[J]. 生物化學與生物物理進展, 2013, 40(8):691-702.
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