生物传热实验室

长期以来，我国尖端医疗设备大多依赖于国外进口，在关键技术上十分欠缺，亟待振兴。本方向立足于开拓和系统发展先进肿瘤诊疗装备及低成本医疗技术新兴学术方向。通过发挥实验室成员在生物医学工程学、电子工程、制冷与低温工程学、传热学、物理学及材料科学等专业背景上的交叉互补性和整体优势，在若干先进医疗技术研究上取得突破，开拓新的理论与技术前沿，发明一批先进医疗装备技术并开辟其崭新用途。

实验室长期致力于先进肿瘤微创治疗技术的研究，先后取得了一系列原创性成果，为肿瘤绿色化治疗提供了先进的解决方案；同时还较早地提出从国家层面大力发展低成本医疗战略，通过发表系列论著积极地促进了这一前沿领域的发展。实验室前期取得的代表性成果如，发明并于国内外首次研制出集深低温冷冻消融与高强度加热治疗于一体的冷热刀医疗装备系统，研制出用于治疗已扩散全身的恶性肿瘤的血管介入加热式全身热疗装备，提出独特的具有优异靶向加热特性的超成本化碱金属热疗方法等；在肿瘤早期筛查方面，实验室则发展有基于远红外影像技术的绿色化诊断平台。这些工作在学术界和工业界产生重要影响，吸引了有关企业的投资；一些研究在国际上处于领先地位。

先进热管理技术在信息、能源、光电产业、空间应用、武器系统以及电力电子等行业的方方面面，均发挥着极为重要的支撑作用。围绕先进热管理技术的获取，近二、三十年来世界各国展开了一系列艰苦探索，形成了此起彼伏的激烈竞争态势。本方向旨在面向工程热物理与光机电学科前沿学术发展与重大应用的需要，开展高水平的基础与应用问题研究。

实验室在该领域作出过系列原创性贡献，有关研究涉及从芯片到系统级“热障”难题的解决上。其中，首创的液态金属芯片散热技术，作为计算机热管理领域的突破性技术，在国内外学术界和产业界引起重大反响，所申请的系列专利覆盖从底层核心技术到拓展应用等多个环节，形成了相对完整的知识产权，所研制液体金属散热器曾荣获中国国际工业博览会创新奖；部分研究曾以封面文章发表于国际知名期刊。在晚于本实验室工作的情况下，国际上已有多个机构和企业相继介入该领域的研究及产业化，所获得的风险投资超过2000万美元。迄今，国际著名科学媒体如New Scientist、Technology Review以及产经新闻如The Wall Street Journal等数百个科技媒体或网站均对液体金属散热进展陆续进行过报道，反映出新发明的重大意义。目前有多家企业介入本实验室工作，旨在联合推进相关研究与应用。

热学微系统技术是热科学与微/纳米技术、生物医学及信息技术等现代自然科学相交叉和融合的结果。这一领域近年来的发展十分迅速，已成为多个学科范畴内极具前景的新生长点，其研究始终与实际应用密切相关。微尺度热学和流体器件覆盖了一个十分广阔的领域，如固液薄膜、半导体器件、光学器件、超导器件、芯片冷却装置、微电子机械系统、生物芯片、微传感器、激光加工、医学工程、生命科学等，蕴含着许多创新机遇。由于现代制造与应用技术的持续进展，“微机械”或“纳机械”的尺寸已被超乎寻常地降低，而同时它们却保持了与原有器件相同甚至更好的性能，各种令人惊讶的成就比肩接踵，近年来大量真正分子意义上的微/纳米机器已经能够在实验室制造出来。此领域的发展态势突出地表现为基础理论建立与实用器件的发明和应用交相辉映。

本方向旨在开拓制造出新型的高性能、低价位的微/纳米热学器件，并拓展微/纳米技术在热科学领域中的应用。有关研究涉及微/纳米材料与器件的设计、制造和应用。

对各类慢性病如心脑血管疾病、高血压乃至恶性肿瘤等的早期诊断和高效治疗，一直是自然科学和临床医学长期以来所面临的重大挑战。在各种努力中，纳米医学已成为当前最有前景的途径之一。在突破制约传统生物医学技术瓶颈方面，借助纳米技术手段有望带来新的变革。种种态势表明，由此引申出的纳米生物医学技术正成为极具探索价值的新前沿。本方向旨在从理论、试验及仪器革新诸方面，深入探索微/纳米生物医学诊疗技术中的各种宏观、细观和微观生物物理本质，揭示纳米技术在提升传统医学手段方面的机理，确立适宜于临床应用的微/纳米生物医学技术措施及高分辨影像监测方法，测定出其中有重要医学意义的生物学数据，发现新的微/纳尺度生物现象，为建立先进的生物医学模式奠定基础。

微/纳米技术作为一种崭新理念，大大扩展了传统生物医学技术的学术范畴，在精确化、适形化疾病诊断与治疗上展示出独特价值。这一观念的确立使得疾病治疗可望实现在分子尺度上的调控，从而为突破传统疗法的技术瓶颈指出了新的解决途径。当前，作为一门年轻的学科，微/纳米生物医学离被完整理解还有相当一段距离。该领域的研究重点主要集中于相应机理的揭示及动物、临床试验等问题的深入考察上。可以预见的是，随着系列微/纳米医学方法的建立，将促成一系列新观念的提出，激发学术界和产业界沿此思路进一步开展工作，并引导学术研究和临床应用的深入，从而为人类的健康需求提供高效的技术手段。

低温生物医学是交叉于传热学、制冷与低温工程学、生物学与临床医学等诸多领域的最新的学科前沿之一，其核心在于探索各种空间、时间尺度及温度范围内的生命最基本的特征之一——物质和冷(能)量的传输规律并加以充分应用，其学科前景在于通过理论探索、数值模拟、实验研究和设计制造手段达到：为日益增长的肿瘤低温外科手术、生物材料的冷冻保存、低体温脑保护、器官移植与组织工程学、冻伤等的发展提供相应依据，为各种低温生物医学器械及生物技术产品的开发奠定基础，开展此方面的研究既富有重大的现实意义，又具有深厚的学术内涵。

当前,低温外科手术已成为肿瘤微创治疗领域内备受关注的新型物理疗法，并拓展应用到几乎所有肿瘤治疗科目正逐步显示其重大的临床应用价值。这种方法的基本原理在于通过有控制性的冷冻及复温促使病变组织经历特定的降温、冻结及融化过程，从而产生一系列不可逆损伤而达到消除病灶的目的。由于低温冷冻治疗对人体的副作用及伤害性均远低于常规手术切除以及放疗和化疗等措施，该方法在肿瘤医学中有“绿色疗法”之誉。本方向所关注的肿瘤低温冷冻治疗中的基础热学问题，涉及新型降温技术获取、活体组织在经受各类医疗器械降温作用时的复杂相变传热机理解读，以及发展治疗过程中对冰球的高精度影像监测方法等；蕴含其中的研究还包括各类宏、微观尺度上组织冻结机理的揭示等。此外，生物材料和生命个体的低温冻存技术也是低温生物医学中的另一重大主题。低温是实现生物材料或样品长期保存的重要方法，然而对于复杂的细胞、组织和器官，目前的低温保存方法还无能为力。本方向努力的一个重要目标在于寻求在生物学对象低温损伤机理的认识方面取得突破，并发展出更为高效的低温保存方法。

热疗是近年来在肿瘤临床医学领域内兴起的一种十分重要的物理性治疗方法，其原理在于通过有控制性的局部或全身加热作用，促使病变组织迅速或逐步产生不可逆损伤而达到消除病灶的目的。由于热疗对人体的已拓展应用到几乎所有肿瘤临床治疗科目正逐步显示其重大的医学临床价值。然而，由于缺乏对热疗过程生物组织热学机理的深入认识，在很大程度上制约了高温热疗手术的有效发挥。本方向旨在深入探索肿瘤高温加热治疗过程中的基础传热学问题，涉及新型施热方法和测温技术、活体组织在经受各类医疗器械升温作用时的复杂传热机理、数值模拟与实验研究，以及治疗过程的影像监测等；蕴含其中的研究还包括各类宏、微观尺度上生物热学数据的测量技术就各类参数的在体或离体研究形成了一系列独特的研究课题。本方向研究的努力目标是实现数字化、精确化肿瘤高效治疗。

生物传热传质学作为工程热物理与生物医学工程领域内极具发展前景的新兴交叉学科之一，它既是传统热科学赖以拓展和取得重大进展的生长点，也是建立诸多生物医学技术的关键工具。目前，国内外不同专业领域内的人员对生物传热传质学研究的兴趣有增无减，通过多层次、多角度的密切配合和协同攻关，必将有望揭示出某些重大的医学诊断和治疗规律，从而促成现代生物医学技术的进步。

本方向旨在基于实验室系统提出的超常规能源利用思想，研究探索系列前沿领域中涌现出的先进能量技术的基本原理和工程学实现途径。

当前的研究重点包括：

1. 移动电子设备及家用电器的人体能量驱动技术及太阳能供电技术；

2. 植入人体的医疗器械的体外充电及供电技术；

3. 生物质燃料电池与仿生电池技术；

4. 探索新型能量利用方式—触发式能源技术，基于若干重要应用场合发展相应的配套器件；

5. 围绕太阳能发电的紧迫现实需求，以热直接固体发电技术为主，重点发展以液体金属传热为核心能量管理方式的新型发电装备；

6. 从有别于传统空调概念的角度出发，探索构建巨尺度热管理技术。

近年来自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，一个重要的原因是因为传统尺度上（人类自身所能感知的空间和时间尺度）的物理现象及其规律相对得到认识，人们的注意力逐渐转向那些发生在小尺度和/或快速过程中的现象及器件上来, 尤其是微/纳电子机械系统与生化分析器件的飞速发展更极大地推动了这一研究热潮。在所有微/纳米器件与系统的设计、制造及应用中以及在一些极端环境下，传热和流动问题均显得突出而重要，由于此时任何一个物理过程中的物质和能量输运均发生在一个受限制的微小几何结构中，这其间必然涉及到流动和/或能量的转换，而任何不可逆输运过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的；特别是，在某些特殊的微米/纳米器件应用场合，热学与流体信号正成为其中独特而有效的用以控制器件运行的重要手段；而且，对微观物理机制的揭示从来都是了解宏观现象的重要桥梁。正是由于能量传输和交换的普遍性加之微/纳米科学与工程技术的兴起，小器件中及其快速的热物理与流体问题逐步得到了广泛重视。全面了解系统及其组成单元在特定空间和时间尺度内的热学和流体行为已经成为提高器件性能最关键的环节之一，而其本身也是科学技术向纵深发展的必然。

自本世纪开始，国际学术界新的前沿—微/纳尺度热学与流体问题研究，正显示其强大的生命力。可以预计的是，在未来的十年中，该领域的研究将由于微/纳米技术的提升而进入高潮，微/纳尺度流体与传热机理将会得到更为完整的认识，所考察的对象也将进一步趋向复杂化及多样化上，相应的微/纳米技术理论则逐步趋于成熟，所有这些进程将促成一些新的应用技术的建立。本方向旨在综合应用交叉于热科学（如热物理、热力学、流体力学、热测试技术等）、物理学（凝聚态物理等）、电子（计算机、微电子、微系统等）、器件、机械（微电子机械加工等）、材料（新材料制备、测量、热评价）、化工（微流体、微分析）、生物医学工程（微泵、微传感器、微医疗仪器等）、仪表、生物信息与控制（生物芯片）等学科的知识，探索解决其中的关键科学问题，并构建有重要实用价值的新型微/纳米流体与热学器件。