国家技术发明奖提名书Word下载.docx
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项目密级
非密
定密日期
保密期限(年)
定密机构(盖章)
学科分类名称
1
生物芯片技术
代码
2
航天医学工程
3
空间生物学
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
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,极大提升了我国在空间生命科学的国际地位。
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BiosensBioelectron、LabChip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JMaterChem、JSepSci等杂志,ChemSocRev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MicrochimicaActa,被LabChip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OliverUllrich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21stHumaninSpacesymposium(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,形成“完成了……蛋白质分析原理样机、细胞培养原理样机等空间生物分析分析仪器及关键技术研究”等验收意见【附件6-15】。
5。
科技查新报告
由机械工业信息研究院就本项目完成的查新报告指出:
“除该查新项目委托方发表的文献外,未见与上述综合技术特点相同的文献报道,项目具有新颖性。
”【附件6-16】。
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
序号
单位名称
应用的技术
应用对象
及规模
应用起止时间
单位联系人/电话
中国空间技术研究院载人航天总体部
基于微流控芯片的空间核酸扩增技术及微型化、低功耗、自动化的装置
服务于国家重大科技工程
20XX。
10-
11
庞博/
空间微流控芯片细胞培养、在线观测技术与蛋白质在线富集、检测技术
05-
05
王松/
美国NanoRacks公司
基于微流控芯片的多目标多通道的空间核酸扩增技术及微型化、低功耗、自动化的装置
应用于国际空间站
07-
07
玛丽·
墨菲
/1(202)6648371
2.应用效果
我国正从航天大国向航天强国迈进。
本项目针对国家重大科技工程的需求,在空间生物载荷技术上沉浸十余年,产生了良好的应用效果,具体表现在:
1)服务国家重大科技工程
空间环境对于生命科学具有重要意义,以国际空间站为例,其开展的全部实验中超过四分之一为生命科学相关实验。
随着我国载人航天工程的深入开展,载人空间站将建成国家太空实验室,我国将在太空拥有持续、稳定的基础空间实验资源平台,如何有效开展空间生命科学实验,关系我国未来生命科学能力发展的重大战略机遇,也关系到我国载人航天工程的国际声誉。
空间实验技术能力是空间生命科学研究的核心保障。
本项目依托国家重大专项,本身即为国家科技部门在科技战略领域的首次重大布局,直接服务于国家的载人航天、深空探测等重大科技工程。
2)有效扩展基础科学研究领域
飞行器平台的不断发展和空间站的建成可以带来大量的生命科学实验资源,但相比于生命科学本身的研究需求,有限的资源远远无法满足需求。
同时,各种限制使得相关研究从生物个体、器官或者组织层面进行研究往往缺乏有效的数据支撑,从分子生物学层面开展研究成为空间生命科学研究的共识。
以微流控芯片技术为载体的空间生物学研究,被NASA称为空间生命科学实验的“终结者”。
本项目针对空间飞行任务发射、回收以及在轨实验的环境适应性和任务适应性要求,开发了完整的芯片加工制造、发射场装配、片上生物培养、在线检测等技术体系,使得基于芯片技术开展空间生命科学实验具有实际的基础,有效的扩展了空间生命科学的基础研究领域。
3)提升领域国际影响,奠定我国空间生物学研究地位
航天是我国大国实力的象征,项目开展的神舟八号飞船搭载实验任务是有报道的我国第一次、世界第三次开展在轨微流控芯片技术实验;
项目开展的国际空间站搭载实验任务,项目实施技术评测均一次通过,为国家赢得赞誉,被媒体誉为“中美空间合作破冰之旅”,世界各国超过千家媒体进行了广泛的报道;
项目执行的首艘货运飞船天舟一号搭载实验
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