常凌乾博士。北京航空航天大学生物与医学工程学院教授，北京市生物医学工程高精尖中心单细胞工程研究所负责人。2008年获得大连理工大学电子工程学士学位，2011年获得中科院电子学研究所生物电子学硕士学位（导师：蔡新霞），2016年博土毕业于美国俄亥俄州立大学生物医学工程系。2016-2017年在美国西北大学从事博士后工作（合作导师为Chad Mirkin），2017-2019年在美国北德克萨斯大学生物医学工程系担任助理教授（TenureTrack），2019年-至今在北京航空航天大学担任教授。入选2017年国家青年人才项目。2024年获国家杰出青年科学基金。
常凌乾教授
常教授致力于单细胞微纳生物芯片的研究和教学工作，聚焦于细胞纳米电穿孔技术、活细胞﹑组织器官的原位基因检则和治疗。在国自然基金（杰青、面上、青年）、教育部长江学者奖励计划、中组部高层次人才计划、国家重点研发计划等项目支持下，已发表SCI期刊论文100余篇（期刊IF> 10 论文75篇），包括Nature Nanotechnology, Nature Photonics, Nature Electronics, PNAS, Nature Commun., Science Adv.等；8篇被选为ESI高被引论文。公开和授权中国、美国专利33项。此外，常教授还创立了载愈生物技术公司，基于NEP技术进行疫苗递送、生物大分子透皮给药、纳米电转仪等管线产品研发和医疗器械注册，完成天使轮和Pre-A轮融资累计3000余万，估值1.5亿，并在诸多科创大赛中获奖。在此，我们汇总了常教授的代表性论文与大家一起分享，内容如下，
Nat. Electronics：重新定义“绷带”！
因为肠道结构独特并且环境复杂，肠道伤口愈合是一个复杂的医学挑战。传统的缝合手术是主要的治疗方法，但可能导致恢复时间长和肠功能不全，以及其他副作用如肠增生和梗阻。手术钉和压迫吻合环是替代方案，但可能导致更多组织损伤。成功的愈合需要促进关键细胞如上皮细胞的增殖。生物可吸收缝合线、组织密封剂和携带愈合因子的水凝胶可能加速愈合，但不能直接调节基因表达。电刺激已用于促进皮肤和其他表层组织的愈合，但其在肠道愈合中的效果不明确，且面临技术挑战，如需要可降解的可植入电源。因此，人们一直在寻找能够有效促进伤口愈合的替代策略或装置。
在此，北京航空航天大学常凌乾教授、王柳助理教授联合宾夕法尼亚州立大学余存江副教授等人共同报告了一种由可生物降解的柔软材料制成的自供电电子绷带（E绷带），它能加速肠道伤口愈合。E绷带整合了电转染（ET）和电刺激（ES），可加速自由活动动物肠道缺损的伤口愈合。该装置由三层组成。最外层是 PCL 层（厚度为 30 μm），作为柔性基底和生物可吸收封装层，以延长 E-绷带的使用寿命。中间层是用于提供一次性 ET 和多日ES的趾间微电极对。最内层是直接接触肠道组织的 GelMA 壳聚糖水凝胶层（厚度为 100 μm）。由于 GelMA-壳聚糖水凝胶溶液的表面张力低、粘度适应性强，它可以渗透到电纺 PCL 薄膜的微小纤维间隙中，从而在光固化后形成牢固的机械互锁。该装置利用双重电刺激促进伤口愈合：脉冲电刺激诱导上皮细胞电转染，促进愈合因子（如上皮生长因子）的表达；直流电刺激增强转染细胞愈合因子的分泌。该电子绷带在体外对肠上皮细胞具有很高的转染效率和细胞存活率，从而在术中促进上皮生长因子的表达。镁钼微电极对产生的自供电振荡电池促进了愈伤因子的外渗出。对小鼠进行的体外和体内研究表明，与传统的缝合疗法和单一电刺激的电子绷带相比，肠道愈合速度更快。
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Nat. Photonics：利用超分辨光子力显微镜在溶液中实现亚飞牛顿力传感
精确的力测量对于探测生物事件和物理过程至关重要，包括从分子马达的运动到卡西米尔效应，以及引力波的探测。然而，尽管技术取得了广泛的发展，但水溶液中较弱力的三维纳米级测量仍然面临着重大挑战。在这方面，依赖于光学捕获纳米探针的技术具有巨大的潜力，但存在局限性，包括为提高捕获能力引起的探针加热、无法检测到的散射信号和定位误差。
北京航空航天大学王帆教授、常凌乾教授和钟晓岚教授等人报告了水溶液中长距离相互作用力的测量，最小检测力值可达到108.2±510.0 埃牛（attonewton）。为了实现这一目标，作者开发了一种基于光学捕获镧系元素掺杂纳米粒子的超分辨光子力显微镜，该显微镜可与基于纳米级三维跟踪的力传感相结合。该跟踪方法利用神经网络支持的超分辨率定位，其中力探头的位置是从光学像散修正的点扩散函数中提取的。作者实现了低至1.8 fN Hz–1/2的力灵敏度，接近纳米级热极限。作者通过实验测量了作用在单个纳米粒子上的电泳力以及单个纳米粒子上表面诱导的相互作用力。这项工作开辟了纳米级热限制力传感的途径，并为检测长距离的亚飞秒力和单分子水平的生物力学力提供了新的机会。
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Sci. Adv.：水环境中病原体监测电驱动软体机器人
微小型软体机器人是近年来机器人领域的重要分支，在狭小空间工程探索、生物体内药物递送、体内医疗诊断等领域扮演着重要角色。为实现此类任务，机器人装置首先需要是无线的，任何绳索的牵绊都会限制其自由运动，这就要求机器人驱动和传感数据读取必须是无线化的；另外，机器人需具备多重传感能力，传感指标的多少关系到机器人监测能力和智能化的强弱；如此多的功能要求往往依靠于在机器人系统之中集成更多的模块，而这势必对机器人的小型化带来挑战。
针对上述难题，香港城市大学于欣格团队联合大连理工大学解兆谦、北京航空航天大学常凌乾教授等人利用纯电学方式开发出了一款小型的、无线的、无电池的、电驱动机器人系统，可在封闭的水环境中实现多项指标的监测。首先，通过射频供电方式，电驱动机器人系统不需要安装电池就可以在封闭空间中不受束缚的运动，在特定驱动频率下，机器人可展现出谐振特性，并进行快速地游动。无电池化设计避免了机器人系统在尺寸和重量上的增加。进一步地，该系统采用了柔性电子技术，集成了薄型轻质的多功能生物化学传感器和无线化数据采集模块，传感器可对水中离子和病毒浓度进行检测，所有检测数据均同步传输，并通过近场通信技术显示在智能手机图形用户界面上，最终实现对水质和病原体污染情况的实时评估。
PNAS：纳米细胞芯片，精准筛选肺癌免疫治疗获益人群
免疫疗法是临床上最具有前景的肿瘤治疗方式之一。该疗法采用PD-L1抑制剂等免疫检查点抑制剂（ICI），重新激活癌症患者体的免疫细胞，提高对肿瘤细胞的识别和清除能力。但在临床中，仅有部分患者能从免疫治疗中获益。大量研究表明，使用单一生物标记物，如 PD-L1 表达，并无法准确预测患者对 ICI的反馈。临床常规组织活检方式，受限于取样位置和动态分析，无法提供足够精细的时空信息，也无法准确评估肿瘤的异质性，导致对肿瘤发生和免疫治疗过程中的细胞反应知之甚少。如何精准预测免疫治疗的疗效，成为了提高免疫治疗效率亟待解决的首要问题。
针对该临床问题，北京航空航天大学常凌乾团队，与北京大学肿瘤医院吴楠教授、格拉斯哥大学Jonathan M. Cooper 教授、北京机械设备研究所杨明珠研究员等人报道了一种循环肿瘤细胞（CTCs）捕获、原位培养和基因分析芯片系统，名为“NICHE”。该纳米芯片采用磁场和细胞尺寸，高效去除（> 93%）血样中的白细胞，并捕获CTCs使其形成单细胞阵列（>95%）。为了实现活CTCs内PD-L1基因的准确检测，研究者们设计了一种具有四面体结构的探针（DNAT），该探针的三条边上的识别序列分别用于识别3种不同的mRNA，通过不同的荧光标记，实现了PD-L1基因，内参GAPDH基因，以及CTCs鉴定基因的同时检测。DNAT探针具有良好的特异性，且能长时间抵抗核酸酶的降解。利用纳米电穿孔技术，该探针能在2秒内实现对95%以上细胞的递送，且细胞保持良好的活性（90%），与其他常规方法相比，纳米电穿孔技术展示出更高的递送性能。NICHE系统从PD-L1基因表达、以及肿瘤细胞响应免疫细胞的行为表型，对患者来源的CTCs进行划分，实现了肺癌患者对免疫疗法的精准预测，临床准确率（AUC值）达到90%以上。
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Nat. Commun.：多功能无线生物电子系统用于呼吸道病原体感染检测及症状严重性评估
对病毒及其感染后症状严重性的快速诊断可以在疫情传播的早期阶段为疫情防控策略的制定及其他公共卫生紧急事件中医疗资源的合理调节提供科学基础。新冠病毒主要通过呼吸活动进行传播，如说话，咳嗽，喷嚏等。目前小型化、可穿戴、便携式的新冠感染检测技术依然依赖于唾液、血液及鼻咽拭子采样，通过呼吸或吹气的方式实现新冠病毒检测及感染后症状严重性的评估依然充满挑战，困难重重。尚未解决的技术壁垒包括：1.依靠器件本身实现呼吸气溶胶中病毒的快速收集及现场检测；2.对呼吸活动的多参数监测及深度分析；3.检测系统的小型化集成；4.病毒感染后症状严重性的非侵入式评估。
香港城市大学于欣格、北京航空航天大学常凌乾联合团队，以及香港大学、四川大学华西医院团队报道了一种多功能、无线、生物电子传感器系统，可以精准捕获并检测呼吸道病原体感染，并通过机器学习对感染症状实时评估。研究者们开发了具有气液界面的气溶胶微流道结构，在气液界面处实现了新冠病毒的连续快速捕获。通过将免疫生物传感器、呼吸频率传感器、温度传感器和NFC无线通信芯片一体化集成柔性生物电子，借助机器学习技术，作者们实现了通过呼吸活动对新冠病毒感染及其症状严重性的快速准确诊断。同时，通过适当的结构调整，作者们展示了该技术在小型化可穿戴的电子诊断设备、个性化的电子诊断饰品及皮肤电子设备中的应用。实验招募了42位志愿者，测试结果表明，该技术可以在1分钟内实现对阳性及阴性健康状态的诊断。通过吹气检测，4分钟准确率达到100%。通过呼吸检测，25分钟准确率达到100%，并通过手机NFC无线呼吸检测实现SARS-CoV-2感染的快速诊断结果的发送和分析。研究者在系统中进一步植入机器学习，进行病毒感染及症状严重性评估。通过志愿者实验结果，显示机器学习评估的严重性和感染者实际情况高度一致。这一柔性生物电子技术，结合在体微流控通道，可以快速高效的从空气中捕获病原体分子，并进行原位抗原抗体反应，无需人工采样和复杂的样品预处理，避免了昂贵的大型设备，频繁更换电源及繁琐的实验室检测流程。该技术不仅仅局限于新冠病毒检测，同样适用于当下大流行的流感病毒检测。
JACS：可实时评估细胞治疗的活细胞纳米穿孔和外泌体RNA分析平台
体外细胞治疗的过程主要包括细胞转染和效力测试。常用的细胞转染技术依赖于病毒载体（如AAV、腺病毒、逆转录病毒等），在过程高度随机的情况下，它们通常会导致炎症反应或细胞死亡。此外，病毒载体的大小和丰度限制了递送的试剂数量，每种病毒中试剂的分布也不均匀，使得精确递送变得困难。目前基于定量实时PCR（qRT-PCR）、下一代测序（NGS）、流式细胞术和基因表达微阵列的转染细胞效力测试涉及细胞培养、RNA分离、扩增、荧光标记、杂交和数据分析等多个步骤，因此目前不可能在几小时内完成整个过程。为了克服传统方法的这些不足，亟需一个能够准确地将分子货物输送到单个细胞，并立即分析核酸表达以评估细胞疗法的新型平台。
在这项研究中，华南师范大学Jiaming Hu、华南理工大学朱伟教授和北京航空航天大学常凌乾教授等人发现，将纳米通道电穿孔与基于外泌体的原位RNA表达分析相结合，可以在单细胞水平上实现精确的剂量输送，并实时评估细胞疗法，从而使该设备成为快速细胞转染和重编程、药物筛选和治疗质量控制的有力工具。作者将此纳米平台称为细胞纳米孔和外泌体评估装置（CEAD），在该装置中，作者使用核-壳-冠结构的脂质-聚合物杂化纳米颗粒（LPHN）包封催化发夹DNA电路（CHDC），这为外泌体RNA杂交提供了独特的优势。在CEAD中，纳米通道和微芯片阵列能够将单个细胞定位在穿孔纳米通道中，以快速准确地将功能性货物输送到细胞中。纳米粒子连接的生物芯片既可以捕获分泌的外泌体，又可以促进原位RNA检测。因此，CHDC表现出卓越的性能，可以实现靶RNA的有效成像和原位无酶信号扩增。CEAD实现了活细胞中治疗剂递送的精确剂量控制，并快速反映了转染细胞分泌的外泌体中相关RNA的变化。此外，CEAD的可重复使用性允许实时检测RNA表达。与目前评估细胞疗法的方法相比， CEAD实现了细胞内药物递送和外泌体RNA检测的整合，并有望成为药物筛选和细胞疗法的有力工具。
Adv. Mater.：表贴式生物电子支架，增强大创口愈合空间均匀度
临床上，当皮肤创面超过6平方厘米时，其修复速度将显著慢于小创口，且易引起并发症，如伤口感染等。传统治疗皮肤创伤的方法，主要基于敷料、表皮移植和细胞外基质支架。这些方法在伤口愈合过程中，主要经历三个关键过程：1）结痂形成，建立止血和防外环境的屏障；2）结痂下的表皮细胞增殖和迁移，导致创面闭合；3）表皮下的成纤维细胞和内皮细胞增殖、迁移和功能化，实现真皮重塑。然而，对于大面积创伤，这些方法很难控制这三个过程的转变，尤其是表皮与真皮再生方面，面临着巨大挑战，最终导致再生皮肤在创面处结构紊乱和功能丧失。
针对这一问题，北京航空航天大学常凌乾教授、牟玮教授、香港城市大学于欣格教授、中国中医科学院王毅研究员、国家卫生健康委科学技术研究所尹德东研究员等人设计了一种表贴式生物电子器件，称为E-TASHI，可以精确控制三个阶段的过渡，为大面积皮肤伤口提供加速和空间均衡愈合。研究团队设计的可降解-细胞电转生物电子支架（E-TASHI），质量约为8克，由两个功能模块组成：1）质粒电转染模块，该模块携带供电系统，可在短时间（<1分钟）启动脉冲电场，实现伤口边缘细胞电穿孔，并递送质粒（编码促细胞增殖和迁移的基因质粒）进入细胞，促进细胞的快速增值和迁移到支架模块的孔隙内。2）细胞支架模块，由可生物降解的水凝胶组成的多孔状结构，在短时间内可降解为氨基酸为生物体利用。支架的孔状结构类似细胞外基质，为细胞生长和迁移提供微环境和力学支撑。在伤口修复过程中，有利于真皮层细胞在伤口垂直深度内的分布和生长分化，从而实现表皮（平面）和真皮（空间）修复的同步推进，最终创面重建完整皮肤结构，形成的愈合皮肤与健康皮肤高度相似。研究团队在巴马猪模型上进一步验证了E-TASHI在创面的伤口修复能力。E-TASHI在28天时创面愈合面积几乎完成，细胞数量、血管数量和胶原沉积分数等指标也与健康组无显著性差异。该电子器件中细胞支架部分在完成细胞增殖和皮肤愈合后，完全降解，无需二次取出；同时，研究团队‘从大创口中不同层细胞增殖速度不同，导致愈合不均衡’这一科学问题出发，设计了原位自供电转染微纳器件，为大创面空间均衡修复提供了一种另辟蹊径的高效修复途径。
Adv. Funct. Mater.：具有微纳电穿孔功能的微通道微针阵列用于实体肿瘤药物高效递送
基于全身循环的给药模式是癌症化疗最常见的方式。在临床上，化疗药物作用剂量与全身毒性之间存在矛盾关系。局部给药策略可以提高药物在靶部位的积累，但缺乏促进药物同时实现高效肿瘤内递送和细胞内转运的能力，仅依靠被动扩散的药物递送常导致肿瘤细胞内化疗药物含量低，肿瘤杀伤效果欠佳。
针对这一问题，北京航空航天大学常凌乾教授、南方科技大学郭传飞教授和北京化工大学庄俭副教授等人设计了一种3D 高精度打印的、具有中空微通道的微针阵列（4M）。该生物芯片利用微通道装载药物，并在低电压直流电场的作用下，实现药物分子的快速递送；通过微通道聚焦电场的作用，在微针周围的肿瘤细胞膜发生电穿孔，进一步提高药物递送进细胞的能力。具体而言，在4M平台介导的药物输送过程中，正极是溅射在注射器推杆的扁平橡胶端上的银层，并通过穿过橡胶端的银线连接到外部电源。负极则设置在4M平台肿瘤块（或体外实验中的细胞）的另一侧。电极之间的闭合电路在药物储存室和微通道内形成，微通道由非导电材料（高温低粘度（HTL）黄-5树脂）制成；药物溶液和肿瘤间质液之间的连接完成电路。在从MN底部施加到尖端的外部电场下，携带电荷的分子（例如带正电的阿霉素（DOX））被电泳驱动向微通道开口附近的局部细胞；伴随着细胞电穿孔，货物被驱动到细胞中在体实验中，该技术与周身送药、实心微针和局部板电极电穿孔系统进行了在体对比，在药物递送能力、肿瘤抑制、其他器官毒副作用等方面优势显著。
ACS Nano：基于离子浓度极化的超低浓度ctDNA富集检测平台
ctDNA全称为circulating-tumor DNA，是指人血液中肿瘤细胞体细胞DNA经脱落或者当细胞凋亡后释放进入循环系统，故被称为循环肿瘤DNA，包含着癌症早期诊断和预后监测等重要信息。然而，ctDNA的精准检测面临着三大问题：①临床样本（如血液、尿液、粪便）等成分复杂；② ctDNA的半衰期较短（<2小时）；③ ctDNA丰度极低，仅占循环游离DNA (cfDNA)总量的0.5~ 10%。传统ctDNA富集和纯化通常是基于磁珠和二氧化硅膜，然而，当处理大量样品时，这些技术难以实现快速、高效的富集，并且操作复杂，检测灵敏度有限。因此，迫切需要一种创新的ctDNA富集与分析技术，以提高临床诊断的灵敏度。
针对这一需求，北京航空航天大学王杨副教授、樊瑜波教授、常凌乾教授和上海感染与免疫科技创新中心徐高连研究员等人开发了一种基于离子浓度极化的微平台，能够在30秒内从血清、尿液和粪便等各种临床样品中，快速、高效地富集和纯化ctDNA。并集成等温扩增模块，将ctDNA的检测灵敏度提高了100倍，显著消除了因ctDNA丰度低而导致的样本假阴性结果。离子浓度极化(ICP)是一种新兴的原位分子富集和纯化方法，在阳离子选择性的Nafion膜上施加垂直电场，根据带电分子的电渗透力和电泳力进行分离和纯化。同时结合“自由流动”的概念，形成基于“自由流动ICP（FF-ICP）”的连续分离方法。对于带有负电荷的核酸分子，受到向下的电渗透力（EO）和不断增加的向上的电泳力（EP）的共同作用，被电动力学捕获，形成离子富集区。同时，施加连续的水平驱动力，使被富集到的核酸或蛋白分子水平推进并收集，从而进行后续的扩增分析。基于FF-ICP的DNA富集策略，研究团队设计了一种自供电、集成的微流控芯片，用于高灵敏度的核酸检测。微平台有两个功能区：核酸富集区、核酸等温扩增检测区。两个区域由一个“y形”提取通道连接。富集区内固定了阳离子选择性的Nafion膜。在垂直电场和水平驱动力作用下，液体样品中的核酸被富集，形成“阴离子流”，然后在“y”形提取通道处收集。随后，“阴离子流”进入检测区，经等温扩增后进行定量分析。剩余的溶液收集在废液池中。富集后的核酸进入到核酸扩增区之后，在含有100个微孔的检测区，用LAMP法进行等温扩增（65℃）。采用阳性微孔总数和每个微孔的荧光强度作为双参数指示，使分析更加准确和稳定。在临床应用中，对北京大学肿瘤医院提供的38例非小细胞肺癌患者的血清样本进行EGFR外显子19缺失突变的检测。结果表明，微平台的灵敏度显著高于传统PCR技术，达到了100%，能够大大避免了因ctDNA浓度不足而造成误诊的风险。此外，该装置检测到的早期患者血清中ctDNA的含量明显低于中晚期患者，证明该平台的定量判断能力可以预测患者的肿瘤发展。
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