作者:孙滔 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/9/25 20:31:43
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中国博士生实验室意外受伤,竟开启一项伟大发明

 

特邀作者|孙滔

1993年平平无奇的一天,在美国密歇根大学超快光科学中心实验室,一名来自中国的博士生正忙着测试飞秒激光对石英玻璃的损伤。凭借其导师热拉尔•穆鲁(Gérard Mourou)发明的啁啾脉冲放大(CPA)技术,他可以任意调节脉冲宽度来进行测试。他沉浸其中,直到一束激光在石英玻璃中以某个特定的角度反射到了他的右眼,恰巧当时他刚刚掀开了护目镜。

这可是激光,受伤是不可避免的。这名博士生当时绝不会料到,这束低能量的杂散光最终成就了大名鼎鼎的飞秒LASIK手术,迄今惠及了2400万近视患者。

虽然这名博士生后来成为飞秒LASIK核心专利的第二发明人,但他与该技术的独特关联此前并未被公开过。即使穆鲁教授说起这项技术的发明过程,基于对个人隐私的考虑,也仅提及缘起于他某个研究生的意外操作。

当穆鲁凭借CPA技术获得2018年诺贝尔物理学奖后,在诺奖官方推特上,有人在穆鲁介绍飞秒LASIK发现过程的帖子后追问:这个研究生是谁?

杜德涛正是那个研究生。2022年9月14日,美国科学促进会(AAAS)等几家组织颁发的金鹅奖(Golden Goose Awards)5人名单中,杜德涛位列第三。这5人分别是:蒂博尔•尤哈斯(Tibor Juhasz)、罗恩•库尔茨(Ron Kurtz)、杜德涛、穆鲁和唐娜•斯特里克兰(Donna Strickland)。

他们均出自穆鲁实验室,斯特里克兰是穆鲁的研究生,虽未直接参与飞秒LASIK手术的发明,但她和穆鲁共同发明了该手术中最为关键的CPA技术,也因此与穆鲁共同获得了诺奖。尤哈斯和库尔茨是飞秒LASIK手术的引导者,并因此获得了巨大的商业成功。

金鹅奖本来就是奖给那些带来意外惊喜的基础研究,飞秒LASIK手术获奖可谓实至名归。

只是此前,杜德涛在飞秒LASIK上的贡献并非广为人知。

穆鲁在实验室 图源:金鹅奖官网

无意间的“小白鼠”

杜德涛本科毕业于中国科技大学近代物理系的理论物理专业,在1990年加入了穆鲁实验室攻读博士。当时全球有飞秒激光研究的实验室只有寥寥几个,即使是穆鲁实验室的人员,也要提前预约才能使用飞秒激光装置。于是,这里就成了杜德涛的不二选择。

杜德涛 图源:金鹅奖官网

此时,已经是穆鲁和斯特里克兰发明CPA技术的5年之后,穆鲁也刚刚离开罗切斯特大学到密歇根大学才2年,这时候的穆鲁实验室还在忙着拓展CPA技术的应用。所谓CPA技术,就是通过在时间尺度上将脉冲展宽、能量放大、然后在时间尺度上将脉冲宽度压缩的巧妙设计,开辟了实现超高功率激光的新途径。

穆鲁实验室发现,利用CPA技术所获得的飞秒脉冲不仅能将能量集中在飞秒量级的时间内,而且集中在微米范围的三维空间内,那么这就能够对几乎所有材料进行精确“冷加工”。

这时候的杜德涛正处于从理论物理到实验光学的转型中,他在穆鲁实验室从事CPA新技术的开发,研究如何把激光功率提得更高。

转型虽大,但杜德涛发现自己“动手能力还不错,能够把激光调好并稳定工作”。他着迷于各种物质材料的测试,并发现飞秒激光造成的损伤有其独特的优良性能,但他并没有想到用生物材料来测试,直到意外发生。

并不近视的杜德涛,就这么成了飞秒激光在生物组织测试的第一个“小白鼠”。究竟是当天太劳累,还是没睡好,时至今日他已经记不清了。“反正不是心情不好”,因为在做研究的时候,他从没有心情不好的状况。

他当时只察觉有一道光闪了一下,马上意识到自己眼睛受伤了。幸好这束激光能量很低,并未立即产生不适,但穆鲁还是让杜德涛去密歇根大学的眼科中心做检查。

接下来的细节被穆鲁多次追述过:

我们非常重视,把这个研究生送到了医院。眼科医生发现他眼睛的伤斑“特别圆特别小”,惊讶地问:你们用的是什么样的激光?学生疑惑了:你为什么这么问?医生给出的解释是,“因为你的损伤是完美的”。

这位眼科医生正是一道获得金鹅奖的库尔茨,他当时还是一名只有2年经验的住院医师,但他敏锐意识到,杜德涛这个完美的圆形伤斑与当时临床使用的其他激光损伤迥异。就在数天后,这位眼科医生给穆鲁打电话,说他想来飞秒激光实验室工作,进行飞秒激光在眼科的探索。

自此开始,杜德涛就和库尔茨一起“战斗”,他们想要确认,这种在石英玻璃材料中能够精确“加工”的飞秒激光,在生物材料中的表现究竟会怎样。通过在动物角膜中进行从飞秒到纳秒的各种验证,他们发现其准确性相当高。它能在极短时间聚焦于角膜组织内极狭小的空间,其产生的巨大能量让生物组织电离,最终会产生无数微小气泡以实现极其精密的组织切割。

1994年,这项研究迎来质的飞跃。当时,杜德涛和库尔茨在加拿大一次医学相关的光学会议上讲述这项研究,引起了加州大学欧文分校的研究科学家尤哈斯的注意。他正是5人金鹅奖名单中的第一人。据杜德涛透露,那时候尤哈斯也在做激光手术研究,只是没有用到飞秒激光,所以效果不佳。恰巧,尤哈斯也是穆鲁的门下,曾在其罗切斯特大学实验室担任博士后。很快,尤哈斯就接到穆鲁电话,邀请他前往密歇根大学开发飞秒LASIK手术。

至此,金鹅奖的5名成员悉数亮相。这时候,作为校方,密歇根大学也提供了大学研究资金来推动这项工作。此外,这项研究还通过美国小企业创新研究计划(SBIR),得到了来自美国国家科学基金会(NSF)和美国国立卫生研究院(NIH)的资助。

是偶然,也是必然

飞秒LASIK手术之后的故事,就与杜德涛渐行渐远了。1997年,库尔茨和尤哈斯创立了IntraLase公司,专注于飞秒LASIK手术的商业化。至2001年,该技术获得美国FDA批准。再之后,IntraLase历经上市、被收购,最终归入强生视觉旗下。据商业媒体Crain’s Detroit Business的看法,IntraLase是密歇根大学孵化的最成功的创业公司之一。

与之前的传统LASIK手术相比,飞秒LASIK手术无需传统刀片来制作角膜瓣,而是依靠计算机预先设置角膜瓣的厚度、直径、形状及角膜瓣蒂的位置和宽度等参数,这就得到了精确且表面光滑的角膜瓣,同时还减少了术后干眼症的发生。

2008年,库尔茨和尤哈斯再度联手研发了飞秒激光白内障手术,有15%的白内障患者受益于该手术。而今尤哈斯在加州再度出发,领导一家新的初创公司瞄准了青光眼的治疗。

这次激光意外并未给杜德涛留下伤痕,没有炎症,医生也没有进行任何处理,视力也没有受到影响,但伤斑还在。直到数月后,他觉得愈合了,没有再去专门做检查。他的猜测是,视网膜的神经损坏之后并没有复原,但是大脑自己作了一些调整,把视网膜缺少的神经信息填补回来了。

对于杜德涛,他仍是飞秒精加工发明专利的第二发明人。这项专利名为“控制激光击穿和烧蚀结构的方法”,他们在1994年就发起优先申请,并于1995年10月公开。这项发明正是飞秒LASIK手术的核心专利。

杜德涛并未沿着医学激光之路走下去,虽然他和库尔茨已完成飞秒LASIK手术的基础研究。在1995年,他完成了自己的博士论文,并在毕业前拿到了一家公司的录用通知,从事飞秒激光的应用开发。

之后,杜德涛陆续换了几个职业方向,从超快工业激光器到激光微加工制药,再到光纤通讯,再到激光雷达、激光等离子体诊断等等。直到近年他和大学同班同学陈如新博士一起回到北京,加上另外一个同班同学张自力博士走上了创业之路,成立了专注于自动驾驶激光雷达的睿镞科技。而穆鲁也欣然接受了杜德涛的邀请,成为该公司的科学委员主席

与很多科学历史上的经典发现一样,飞秒LASIK手术始于偶然,终于必然。

在杜德涛眼中,飞秒LASIK手术的发明历程中有着一系列的偶然。穆鲁想到CPA技术的概念就是有一次在滑雪缆车上的灵光乍现,加上杜德涛的意外事故、库尔茨的敏锐意识以及加拿大偶遇尤哈斯,按照杜德涛的原话就是,“这是天时、地利、人和的集大成”。

至于“必然”,首先是穆鲁一直专注于追求超快超强激光,并开创了很多前沿工作,这给他们实现飞秒LASIK手术埋下了“必然的种子”。

其次是密歇根大学校领导的远见卓识。他们并没有把杜德涛的实验室事故仅仅当成负面事件来管理,而是看到了其社会价值和经济价值的潜力所在,给了穆鲁更多的资金支持来研发医学应用。还有一个前提,穆鲁实验室在更早时候就发现了飞秒激光可以造成损伤的独特的优良性能。

然而,在杜德涛看来,这种实验室意外并非好的研究榜样,“要是我有选择的话,我肯定不当小白鼠,因为风险是不确定的”。

当被问及对没有沿着眼科手术之路走下去是否存有遗憾,杜德涛显得颇为平静。他的看法是,遗憾说不上,因为还是喜欢做原有的应用研究,并且“自我感觉还不错”。

实际上,实验室的意外并未给他带来实质的病痛和不便,加上他很早就打算去工业界,而飞秒LASIK手术的研发当时仍属于密歇根大学主导的初创项目,如果要继续做下去,他可能需要留在穆鲁实验室担任博士后。

数十年来,杜德涛很少公开谈及他在飞秒LASIK手术发展历程中的角色。因为杜德涛是激光专家,周围的人们时常会无意中问他是否了解飞秒LASIK手术。只有这时候,他们才会陡然意识到面前的这个人就是那个伟大发明的核心人物之一,是应该被写入眼科教材的人物。

参考资料:

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

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

 
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