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        作者:孫滔 來源:科學網微信公號 發布時間:2022/9/25 20:31:43
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        中國博士生實驗室意外受傷,竟開啟一項偉大發明

         

        特邀作者|孫滔

        1993年平平無奇的一天,在美國密歇根大學超快光科學中心實驗室,一名來自中國的博士生正忙著測試飛秒激光對石英玻璃的損傷。憑借其導師熱拉爾•穆魯(Gérard Mourou)發明的啁啾脈沖放大(CPA)技術,他可以任意調節脈沖寬度來進行測試。他沉浸其中,直到一束激光在石英玻璃中以某個特定的角度反射到了他的右眼,恰巧當時他剛剛掀開了護目鏡。

        這可是激光,受傷是不可避免的。這名博士生當時絕不會料到,這束低能量的雜散光最終成就了大名鼎鼎的飛秒LASIK手術,迄今惠及了2400萬近視患者。

        雖然這名博士生后來成為飛秒LASIK核心專利的第二發明人,但他與該技術的獨特關聯此前并未被公開過。即使穆魯教授說起這項技術的發明過程,基于對個人隱私的考慮,也僅提及緣起于他某個研究生的意外操作。

        當穆魯憑借CPA技術獲得2018年諾貝爾物理學獎后,在諾獎官方推特上,有人在穆魯介紹飛秒LASIK發現過程的帖子后追問:這個研究生是誰?

        杜德濤正是那個研究生。2022年9月14日,美國科學促進會(AAAS)等幾家組織頒發的金鵝獎(Golden Goose Awards)5人名單中,杜德濤位列第三。這5人分別是:蒂博爾•尤哈斯(Tibor Juhasz)、羅恩•庫爾茨(Ron Kurtz)、杜德濤、穆魯和唐娜•斯特里克蘭(Donna Strickland)。

        他們均出自穆魯實驗室,斯特里克蘭是穆魯的研究生,雖未直接參與飛秒LASIK手術的發明,但她和穆魯共同發明了該手術中最為關鍵的CPA技術,也因此與穆魯共同獲得了諾獎。尤哈斯和庫爾茨是飛秒LASIK手術的引導者,并因此獲得了巨大的商業成功。

        金鵝獎本來就是獎給那些帶來意外驚喜的基礎研究,飛秒LASIK手術獲獎可謂實至名歸。

        只是此前,杜德濤在飛秒LASIK上的貢獻并非廣為人知。

        穆魯在實驗室 圖源:金鵝獎官網

        無意間的“小白鼠”

        杜德濤本科畢業于中國科技大學近代物理系的理論物理專業,在1990年加入了穆魯實驗室攻讀博士。當時全球有飛秒激光研究的實驗室只有寥寥幾個,即使是穆魯實驗室的人員,也要提前預約才能使用飛秒激光裝置。于是,這里就成了杜德濤的不二選擇。

        杜德濤 圖源:金鵝獎官網

        此時,已經是穆魯和斯特里克蘭發明CPA技術的5年之后,穆魯也剛剛離開羅切斯特大學到密歇根大學才2年,這時候的穆魯實驗室還在忙著拓展CPA技術的應用。所謂CPA技術,就是通過在時間尺度上將脈沖展寬、能量放大、然后在時間尺度上將脈沖寬度壓縮的巧妙設計,開辟了實現超高功率激光的新途徑。

        穆魯實驗室發現,利用CPA技術所獲得的飛秒脈沖不僅能將能量集中在飛秒量級的時間內,而且集中在微米范圍的三維空間內,那么這就能夠對幾乎所有材料進行精確“冷加工”。

        這時候的杜德濤正處于從理論物理到實驗光學的轉型中,他在穆魯實驗室從事CPA新技術的開發,研究如何把激光功率提得更高。

        轉型雖大,但杜德濤發現自己“動手能力還不錯,能夠把激光調好并穩定工作”。他著迷于各種物質材料的測試,并發現飛秒激光造成的損傷有其獨特的優良性能,但他并沒有想到用生物材料來測試,直到意外發生。

        并不近視的杜德濤,就這么成了飛秒激光在生物組織測試的第一個“小白鼠”。究竟是當天太勞累,還是沒睡好,時至今日他已經記不清了。“反正不是心情不好”,因為在做研究的時候,他從沒有心情不好的狀況。

        他當時只察覺有一道光閃了一下,馬上意識到自己眼睛受傷了。幸好這束激光能量很低,并未立即產生不適,但穆魯還是讓杜德濤去密歇根大學的眼科中心做檢查。

        接下來的細節被穆魯多次追述過:

        我們非常重視,把這個研究生送到了醫院。眼科醫生發現他眼睛的傷斑“特別圓特別小”,驚訝地問:你們用的是什么樣的激光?學生疑惑了:你為什么這么問?醫生給出的解釋是,“因為你的損傷是完美的”。

        這位眼科醫生正是一道獲得金鵝獎的庫爾茨,他當時還是一名只有2年經驗的住院醫師,但他敏銳意識到,杜德濤這個完美的圓形傷斑與當時臨床使用的其他激光損傷迥異。就在數天后,這位眼科醫生給穆魯打電話,說他想來飛秒激光實驗室工作,進行飛秒激光在眼科的探索。

        自此開始,杜德濤就和庫爾茨一起“戰斗”,他們想要確認,這種在石英玻璃材料中能夠精確“加工”的飛秒激光,在生物材料中的表現究竟會怎樣。通過在動物角膜中進行從飛秒到納秒的各種驗證,他們發現其準確性相當高。它能在極短時間聚焦于角膜組織內極狹小的空間,其產生的巨大能量讓生物組織電離,最終會產生無數微小氣泡以實現極其精密的組織切割。

        1994年,這項研究迎來質的飛躍。當時,杜德濤和庫爾茨在加拿大一次醫學相關的光學會議上講述這項研究,引起了加州大學歐文分校的研究科學家尤哈斯的注意。他正是5人金鵝獎名單中的第一人。據杜德濤透露,那時候尤哈斯也在做激光手術研究,只是沒有用到飛秒激光,所以效果不佳。恰巧,尤哈斯也是穆魯的門下,曾在其羅切斯特大學實驗室擔任博士后。很快,尤哈斯就接到穆魯電話,邀請他前往密歇根大學開發飛秒LASIK手術。

        至此,金鵝獎的5名成員悉數亮相。這時候,作為校方,密歇根大學也提供了大學研究資金來推動這項工作。此外,這項研究還通過美國小企業創新研究計劃(SBIR),得到了來自美國國家科學基金會(NSF)和美國國立衛生研究院(NIH)的資助。

        是偶然,也是必然

        飛秒LASIK手術之后的故事,就與杜德濤漸行漸遠了。1997年,庫爾茨和尤哈斯創立了IntraLase公司,專注于飛秒LASIK手術的商業化。至2001年,該技術獲得美國FDA批準。再之后,IntraLase歷經上市、被收購,最終歸入強生視覺旗下。據商業媒體Crain’s Detroit Business的看法,IntraLase是密歇根大學孵化的最成功的創業公司之一。

        與之前的傳統LASIK手術相比,飛秒LASIK手術無需傳統刀片來制作角膜瓣,而是依靠計算機預先設置角膜瓣的厚度、直徑、形狀及角膜瓣蒂的位置和寬度等參數,這就得到了精確且表面光滑的角膜瓣,同時還減少了術后干眼癥的發生。

        2008年,庫爾茨和尤哈斯再度聯手研發了飛秒激光白內障手術,有15%的白內障患者受益于該手術。而今尤哈斯在加州再度出發,領導一家新的初創公司瞄準了青光眼的治療。

        這次激光意外并未給杜德濤留下傷痕,沒有炎癥,醫生也沒有進行任何處理,視力也沒有受到影響,但傷斑還在。直到數月后,他覺得愈合了,沒有再去專門做檢查。他的猜測是,視網膜的神經損壞之后并沒有復原,但是大腦自己作了一些調整,把視網膜缺少的神經信息填補回來了。

        對于杜德濤,他仍是飛秒精加工發明專利的第二發明人。這項專利名為“控制激光擊穿和燒蝕結構的方法”,他們在1994年就發起優先申請,并于1995年10月公開。這項發明正是飛秒LASIK手術的核心專利。

        杜德濤并未沿著醫學激光之路走下去,雖然他和庫爾茨已完成飛秒LASIK手術的基礎研究。在1995年,他完成了自己的博士論文,并在畢業前拿到了一家公司的錄用通知,從事飛秒激光的應用開發。

        之后,杜德濤陸續換了幾個職業方向,從超快工業激光器到激光微加工制藥,再到光纖通訊,再到激光雷達、激光等離子體診斷等等。直到近年他和大學同班同學陳如新博士一起回到北京,加上另外一個同班同學張自力博士走上了創業之路,成立了專注于自動駕駛激光雷達的睿鏃科技。而穆魯也欣然接受了杜德濤的邀請,成為該公司的科學委員主席。

        與很多科學歷史上的經典發現一樣,飛秒LASIK手術始于偶然,終于必然。

        在杜德濤眼中,飛秒LASIK手術的發明歷程中有著一系列的偶然。穆魯想到CPA技術的概念就是有一次在滑雪纜車上的靈光乍現,加上杜德濤的意外事故、庫爾茨的敏銳意識以及加拿大偶遇尤哈斯,按照杜德濤的原話就是,“這是天時、地利、人和的集大成”。

        至于“必然”,首先是穆魯一直專注于追求超快超強激光,并開創了很多前沿工作,這給他們實現飛秒LASIK手術埋下了“必然的種子”。

        其次是密歇根大學校領導的遠見卓識。他們并沒有把杜德濤的實驗室事故僅僅當成負面事件來管理,而是看到了其社會價值和經濟價值的潛力所在,給了穆魯更多的資金支持來研發醫學應用。還有一個前提,穆魯實驗室在更早時候就發現了飛秒激光可以造成損傷的獨特的優良性能。

        然而,在杜德濤看來,這種實驗室意外并非好的研究榜樣,“要是我有選擇的話,我肯定不當小白鼠,因為風險是不確定的”。

        當被問及對沒有沿著眼科手術之路走下去是否存有遺憾,杜德濤顯得頗為平靜。他的看法是,遺憾說不上,因為還是喜歡做原有的應用研究,并且“自我感覺還不錯”。

        實際上,實驗室的意外并未給他帶來實質的病痛和不便,加上他很早就打算去工業界,而飛秒LASIK手術的研發當時仍屬于密歇根大學主導的初創項目,如果要繼續做下去,他可能需要留在穆魯實驗室擔任博士后。

        數十年來,杜德濤很少公開談及他在飛秒LASIK手術發展歷程中的角色。因為杜德濤是激光專家,周圍的人們時常會無意中問他是否了解飛秒LASIK手術。只有這時候,他們才會陡然意識到面前的這個人就是那個偉大發明的核心人物之一,是應該被寫入眼科教材的人物。

        參考資料:

        https://www.goldengooseaward.org/01awardees/lasik

        https://patents.google.com/patent/WO1995027587A1

         
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