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1、国家技术发明奖提名书（2019 年度）一、项目基本情况专业评审组：序号：编号：提 名 者中国分析测试协会项目项目名称空间生物培养与分析新型载荷的研制及应用名称公布名空间生物培养与分析新型载荷的研制及应用邓玉林（北京理工大学）、李晓琼（北京理工大学）、吕雪飞（北京理工大主要完成人学）、马宏（北京理工大学）、王睿（北京理工大学）、杨春华（北京理工大学）项目密级非密定密日期保密期限 (年 )定密机构 (盖章 )1生物芯片技术代码学科分类2航天医学工程代码名称3空间生物学代码所属国民经济行业所属国家重点发展领域任务来源863 计划、国家科技支撑计划项目具体计划、基金的名称和编号：1、国家高技术研究发展
2、计划（863 计划）空间生物舱总体关键技术（20XXAA12A218 ）。2、国家科技支撑计划项目空间生物分析仪器系统及关键技术研究与开发（20XXBAK59B00 ）。已呈交的科技报告编号：授权发明专利（项）28授权的其他知识产权（项）10项目起止时间起始： 20XX 年 07 月 01 日完成： 20XX 年 12 月 31 日国家科学技术奖励工作办公室制1 / 16三、项目简介本成果源于完成人承担的国家 863 重大项目和国家科技支撑计划项目的部分研究成果，是针对载人航天国家重大科技工程需求开展的前瞻前沿性工作。我国载人空间站将建成国家太空实验室，空间生命科学是载人航天的重要研究领域，而
3、科学载荷是空间生命科学研究不可或缺的基础。由于生物体对环境的敏感性和脆弱性，并且生物实验程序复杂，涉及微量液体精确控制以及影像和生物分子高灵敏度准确测定，遥操作自动化难度大；另外，空间特殊环境使得商业化仪器不能满足重量、功耗以及空间环境适应性方面（包括冲击、振动、冷热交变、 EMC 等）的要求，仪器研制难度大，因此需要在设计、原理和技术方面进行创新。本项目经过十余年积累，以生命科学新知识发现作为科学目标牵引，突破空间生物培养和分析系列重要关键技术，发展 3 种新型空间生物载荷，圆满完成 3 次空间飞行任务和在轨实验研究。取得如下创新成果：1、发明了基于微流控芯片的空间生物培养与观测技术。攻克了
4、微流控芯片表面钝化、芯片抗力学性能设计等关键单元技术，建立了多种材质的空间微流控芯片设计、加工及标准化工艺技术；成功突破了空间环境细胞灌流培养、 培养介质 pH 控制技术等，研制了空间微流控细胞培养 /共培养芯片；实现了在空间环境条件下动物细胞长时间培养或共培养，可完成全自动传代、固定、消化、裂解、染色等细胞操作，以及影像和细胞迁移等分析测试。2、发明了空间微流控芯片高灵敏度生物分析检测技术。针对空间生物分析检测对于高可靠、高灵敏以及高准确性的需求，发挥微流控芯片高度集成化、一体化的优点，建立了芯片样品制备、富集、亲和识别、高灵敏检测的策略。攻克了基于温控智能材料和自由流芯片电泳的自动化生物样
5、品处理、核酸扩增及检测芯片设计加工等关键技术，建立了高通量核酸扩增及荧光定量检测、基于核酸适配体或抗体的多靶标蛋白质高灵敏定量分析技术，实现了生物分子自动化在轨在线检测分析。3、发明了新型空间生物有效实验载荷。研制3 种新型空间生物有效载荷，其中“空间细胞共培养与分析仪器”（天舟一号货运飞船）是国际上首次实现在轨多细胞共培养和高灵敏蛋白质检测一体化、自动化的实验载荷；“空间微流控芯片基因扩增仪器”飞行任务（神舟八号飞船）是国际上第3 个、我国首次完整开展的空间微流控芯片生物实验；“空间环境致生物分子进化规律实验仪器”（国际空间站）经过了美国严苛的技术和科学两方面评估，获得NASA 和美国国会批
6、准，是首次进入国际空间站的中国科学载荷，并被评价为中美空间合作“破冰之作”。项目共授权国家专利36 项，其中发明专利 28 项，发表 SCI 论文 49 篇。项目成果应用于载人航天国家重大科技工程和具有重大影响的国际合作，20XX 年世界生物技术大会授予 “空间生物分析突破奖” 。基因扩增仪器核心技术指标优于美国NASA在国际空间站使用的载荷，细胞共培养和分析一体化载荷是目前国际报道的首台设备，欧洲 ESA 苏黎世大学团队已确定在其任务中将使用此载荷。受邀参加空间领域顶级国际会议（ COSPAR、IAC 、IAA ）12 次，做报告 8 次，并在中国成功举办了 IAA-HIS 会议，极大提升了
7、我国在空间生命科学的国际地位。2 / 16五、客观评价1。项目成果鉴定会意见2018 年 7 月，中国分析测试协会组织召开“空间生物培养与分析载荷技术及应用”项目成果技术鉴定会。认为“该项目成果满足空间生命科学载荷的应用需求，技术先进，创新性强，技术总体达到国际先进水平，其中多种空间生物微流控芯片的设计和检测技术达到国际领先水平”。【附件6-1】。2。同行评价1）发明的芯片表面钝化技术成果被Biosens Bioelectron、Lab Chip 等积极评价【附件 6-2】。2）发明的自由流电泳芯片和温控智能材料等样品前处理技术成果发表于J MaterChem、J Sep Sci等杂志， Ch
8、em Soc Rev评价：“温控智能材料与微流控芯片的结合实现了低试剂消耗量、快速响应、高通量的样品处理”。【附件6-3】。3）发明的集蛋白质富集与可视化检测于一体的空间蛋白分析检测技术，相关研究成果发表于 Microchimica Acta ，被 Lab Chip 等期刊评价【附件 6-4】。于 20XX 年4 月成功搭载天舟一号货运飞船【附件5-1】。4）瑞士苏黎世大学Oliver Ullrich 教授就“适用于空间环境的动态细胞培养微流控芯片关键技术”与项目组开展深入合作【附件6-6】。5）20XX 年 4 月，发明的细胞共培养和在线观测技术完成天舟一号搭载实验【附件 5-1】。研究成果
9、写入中国“空间科学发展报告”【附件6-7】。该关键技术在世界生物技术大会获“空间生物分析突破奖”【附件6-8】。3。社会评价1）受邀参加空间领域重要国际会议 12 次，做报告 8 次【附件 6-9】。受国际宇航科学院委托，举办 21st Human in Space symposium（人在太空研讨会）【附件 6-10】。2）中国空间技术研究院总体部提出联合建立空间环境应用联合实验室【附件 6-12】。3）本项目的历次飞行实验任务均收到社会和媒体广泛关注，新华社和中央电视台等主流媒体节目均多次报道项目应用情况【附件 6-13】。20XX 年受中国科学技术馆和北京科技报社联合委托，本项目国际空间
10、站任务载荷在中国科技馆参加科普展，引发广大群众特别是青少年对空间生命科学的兴趣【附件6-14】。4。项目验收意见20XX 年 7 月，国防科技工业局863 计划地球观测与导航技术办公室在北京组织召开国家863 重大项目课题验收会，形成“课题成果可为未来我国载人航天以及空间生命科学研究等提供有力的技术保障”等验收意见【附件2-1】。20XX 年 8 月 30 日，中国 21 世纪议程管理中心组织召开科技支撑项目验收会，3 / 16形成“完成了蛋白 分析原理 机、 胞培养原理 机等空 生物分析分析 器及关 技 研究”等 收意 【附件6-15】。5。科技 新 告由机械工 信息研究院就本 目完成的 新
11、 告指出：“除 新 目委托方 表的文献外， 未 与上述 合技 特点相同的文献 道， 目具有新 性。 ”【附件 6-16】。4 / 16六、应用情况和效果1应用情况尽管我国航天飞行次数不断增加，飞行器平台的能力也有了长足进步，但由于我国航天工程起步相对主要航天国家较晚，前期载人航天工程主体任务是保证载人的基本目标，能够支持开展实验的平台和资源相对十分有限。随着载人空间站工程的进一步推进，基于空间站平台开展科学任务已经成为迫在眉睫的关键任务。同时，面对我国走向航天强国和航天面向国际的要求，必须尽快开展空间实验技术的前期验证，基于此，在国家科技计划和国家载人航天办公室的大力支持下，基于目前我国载人系
12、列化飞船，针对不同空间生命科学研究的目标需求，研制了三两种种新型空间生物有效载荷。：空间微流控芯片基因扩增仪器（神舟八号飞船搭载，研究微重力和辐射对基因扩增过程的影响，观察是否存在基因变异现象）【附件 2-2】、微流控芯片细胞培养和分析仪器（天舟一号货运飞船搭载，研究空间环境下神经和免疫系统间相互作用的机制及途径）【附件 5-1】、，对系列化的芯片加工工艺、发射场临设安装等系列化工艺、载荷一体化自动化的实验设计和实施技术、生物实验遥操作技术进行了完整验证。20XX 年，项目组在通过美方科学和技术方案评估的基础上，获得美国NASA和国会批准， 与负责国际空间站运营业务的 NANORACKS 公司
13、合作，并在美国肯尼迪航天中心的空间生命科学实验中心（ SLSL）建立了联合实验室，研制了空间环境致生物分子微进化规律实验仪器（国际空间站搭载，研究空间环境对抗体编码基因 DNA 片段诱变的影响及其微进化的规律）【附件 5-2】。整体三次应用情况，具体见下表：主要应用单位情况表序单位名称号中 国 空 间 技 术1 研 究 院 载 人 航天总体部中 国 空 间 技 术2 研 究 院 载 人 航天总体部美国 NanoRacks3公司应用的技术应用对象应用起单位联系人及规模止时间/电话基于微流控芯片的空服 务 于 国家20XX 。间核酸扩增技术及微庞博 /重 大 科 技工10-型化、 低功耗、 自动化程20XX 。11的装置空间微流控芯片细胞服 务 于 国家20XX 。培养、在线观测技术与王松 /重 大 科 技工05-蛋白质在线富集、 检测程20XX 。05技术
