种类
半机械性半生物性人造器官(Biomechanical Artificial Organs)
半机械性半生物性人造器官是将电子技术与生物技术结合起来。在德国,已经有8位
肝功能衰竭
的患者接受了
人造肝脏
的移植,这种人造肝脏将人体活组织、人造组织、芯片和微型马达奇妙地组合在一起。预计在今后十年内,这种仿生器官将得到广泛应用。
生物性人造器官(Biological Artificial Organs)
生物性人造器官则是利用动物身上的细胞或组织,“制造”出一些具有生物活性的器官或组织。生物性人造器官又分为异体人造器官和自体人造器官。比如,在猪、老鼠、狗等身上培育
人体器官
的试验已经获得成功;而自体人造器官是利用患者自身的细胞或组织来培育人体器官。
前两种人造器官和异体人造器官,移植后会让患者产生排斥反应,因此科学家最终的目标是患者都能用上自体人造器官。诺贝尔奖获得者吉尔伯特认为:“用不了50年,人类将能用生物工程的方法培育出人体的所有器官。”
科学家乐观地预料,不久以后,医生只要根据患者自己的需要,从患者身上取下细胞,植入预先有电脑设计而成的结构支架上,随着细胞的分裂和生长,长成的器官或组织就可以植入患者的体内。
事例
培养单片人体组织。最初的细胞是由
不育症
患者捐赠的。人造子宫是
试管授精
研究带来的一个副产品,研究它的目的同样是为了帮助那些不育夫妇。认为她们小组将在5~10年内培育出活的老鼠子宫,而人体子宫还要等上更长的时间。
06年11月英国科学家研制出一个完全模仿人体消化过程的高科技机械,这个由塑料和金属制成的装置是由英国某个食物研究所的MartinWickham博士和同伴研制出来的。它经得起胃里的酸和酶的腐蚀,而且最终可能有助于
科研人员
开发出超级营养品。
人造胃
由上下两部分组成,想一个
巨型计算机
。其上半部分是一个带有蓝色漏斗的圆筒容器,食物被倒入容器内。这里是食物、
胃酸
和
消化酶
混合的地方。一旦这一过程完成,食物就会在下面一条银制管子里被碾碎。这条管子装在一个透明盒子里。在我们真正的胃里,食物随后将被人体吸收。其中食物在胃里某个特定部位
停留时间
的长短、在不同阶段的激素反应等等,都是由电脑完成的。
历史上首个人造心脏Jarvik-7,是在1982年植入病人BarneyClark的体内,BarneyClark共活了112天。另一
人造心脏
也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr则活了620天。
如果人体的骨头不幸受伤,传统的骨头移植手术会撷取病患其它部位的骨头或是利用陶瓷来替代。不过
加拿大
有一所大学正在研发“
骨骼打印机
”,利用类似
喷墨打印机
的技术,将人造
骨粉
转变成精密的骨骼组织。
南加利福尼亚大学
研制的
仿生眼
项目——
人造视网膜
。旨在开发一种可以帮助因衰老或疾病导致
视网膜
受损的人恢复视力的人造视网膜技术,他们已经在志愿者身上对植入式
微型摄像头
进行了早期的
人体试验
。
志愿者们佩戴着安装有数字摄像头的
太阳镜
,视网膜上安装了分布有电极的含银
硅脂
,数字摄像头将拍摄到的图像以无线的方式传送到硅脂上的16个电极上,电极产生的
信号刺激
视网膜
上的
神经细胞
,就使盲人“看到”了图像。
1966年,这两位科学家把一些
小鼠
放入一桶液体中,并将小鼠完全浸没在液面下。按说小鼠应该在数分钟之内死亡,但它们却活了好几个小时。桶中的液体含有碳化氟和水,碳化氟分子同水中的氧气结合,并进入小鼠的血液内。
第一位接受人造血的是日本科学家内藤良知。1979年,他给自己注射200毫升
人造血
。如今,医生已经有多种不同配方的人造血供急救用。1980年6月,我国第一次将自己研制的人造血应用于临床,这一年就有14个病人获得满意的结果。
人造血管
(Artificial Bloodvessels)
来自日本
北海道大学
的科学家们利用从
鲑鱼
皮中提取的胶原制造全球首例人造血管。日本科学家们还成功利用此人造血管取代老鼠的
动脉血管
。专家家们称利用鲑鱼皮制造出来的人造血管一点也不逊色于真正的血管。
人造肌肉可自我修复并发电
在最新一期出版的《
先进材料
》杂志上,
美国加州大学
的科学家裴齐冰教授公布了他们的这一最新研究成果。作为此次研究的发起人,裴齐冰教授说:“我们已经制造出了一块人造肌肉,它会在通电后膨胀(超过200%),在运动和能量方面都与人类肌肉非常相似。”尽管人造肌肉已经出现数年了,但是有些人造肌肉因为非常体积大而撕裂,产生不平衡的膜厚度和不规则粒子,从而导致肌肉失灵。研究人员们使用了普遍存在的、柔韧灵活的
碳纳米管
作为电极,以取代其它含金属的膜,因为后者常常在反复使用后出现故障。如果某个碳纳米管区域失效了,其周围的区域会变为绝缘而自行闭合,以防止故障波及其它区域。
裴齐冰教授说:“在我们对这个新设备进行的长期测试中,实际的材料经历了许多事件却仍然能工作。”裴教授所说的“事件”指的是,他们用
销钉
对人造肌肉进行扎刺,在这种情况下,其它的人造肌肉会失效,而他们的
肌肉模型
仍能保持运行。此外,这种自我愈合的肌肉还是高效能的。裴教授说:“它能保存70%你输给它的能量。”由于这种材料会在膨胀
后收缩
,
碳纳米管
的重新排列会产生一小股电流,这种电流可被用作另一膨胀的能量或被储存在电池中。日本的科学家们利用这一理念从海浪中提取能量为电池充电。其他科学家们推测,这种人造肌肉将可被用来捕获风能。
内华达大学
雷诺
校区的材料科学家金光说:“他将这些碳纳米管放在一起的方法真的非常有创意。一些人想利用它来为电池充电。”
能与真人肌肉相媲美
研究人员们表示,他们发明的这种人造肌肉
伸缩性
已能和人的肌肉相媲美,且伸缩性由材料自身性能决定,无需马达、齿轮等复杂装置,体积小、重量轻。研究人员称,他们最新研发的两种人造肌肉性能均非常突出,同时具备
燃料电池
和肌肉的功能。其中一种人造肌肉采用了含催化剂的
碳纳米管
电极,可作为燃料电池的电极将
化学能
转化为电能,也可作为
超级电容器
的电极来储存电能,还可作肌肉电极将电能再转化为
机械能
。另外一种人造肌肉也是目前最强健的肌肉,是通过
混合燃料
和空气中的氧气发生
催化反应
,将化学能转化成为热能,升高的温度可使制造肌肉的具有形状
记忆功能
的
金属材料
用力收缩,冷却后肌肉随之膨胀放松。由于这种燃料电池肌肉所使用的外层涂有纳米颗粒催化剂的形状
记忆金属
导线,可在市场上买到,这使得它尤其容易在
自动装置
中得到应用。
人造肌肉又叫
电活性聚合物
,是一种新型智能高分子材料,它能够在外加电场的作用下,通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀,和
生物肌肉
十分相似。在
生物材料
医学上,人造器官是指能植入人体或能与
生物组织
或
生物流体
相接触的材料,或者说是具有天然器官组织的功能或天然器官部件功能的材料。根据制造器官使用的材料以及其功能,科学将人造器官分为三种:机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中,前两类型种的人造
器官移植
后会让患者产生
排斥反应
,对受体来说,最为感觉舒适无副作用的是最后一种也就是生物性人造器官。
未来应用
前景广阔
人造肌肉具有广阔的应用前景。这种材料做成的人造肌肉能像人类
肌肉纤维
一样收缩和伸展,并改变胳膊长短。利用人造
肌肉收缩
和伸展的特性,一旦提供的能量足够,用这些肌肉作成的装置就能够完成跳跃、爬山甚至长途旅行等活动,从而能够做成更像人类的机器人、更轻便灵巧的人造假肢以及塑料心脏或心脏隔膜等与人类器官收缩一致的人造器官。科学家还希望将这些人造肌肉材料用在其他方面,比如用来制作微型阀门、柔软的
扬声器
以及可触摸界面如显示屏等。
迄今为止,人体的器官已经基本都能够制造成功并应用到人体,唯独肌肉没有做到这一步。因此,人造肌肉具有广阔的前景。利用人造肌肉收缩和伸展的特性,一旦提供的能量足够,用这些肌肉作成的装置就能够完成跳跃、爬山甚至长途旅行等活动,从而能够做成更像人类的机器人、更轻便灵巧的人造假肢以及塑料心脏或心脏隔膜等与人类器官收缩一致的人造器官。新研制的靠燃料驱动的人造肌肉很容易进行微型化甚至纳米级设备的生产,采用
乙醇
或氢等燃料驱动可获得高出目前最先进的
充电电池
30多倍的能量,使用寿命更长,可在自治机器人、可变形飞行器以及动态
盲文
显示器等多个领域得到广泛应用。比如可以改进飞行器及
航海工具
的性能。用酶取代金属催化剂,有朝一日可能研制出以食物为燃料驱动的人造肌肉,用于
人体器官
包括
人造心脏
的移植和再造等。
北京时间
2010年11月1日消息,据物理学家组织网报道,美国
威克弗里斯特大学
浸信医学中心
再生医学
研究所研究人员已经在实验室培植替代肝脏方面达到一个新的转折点,它虽然还只处于早期阶段,但是意义重大。他们是第一批利用人类肝细胞制造出像人类肝脏一样功能齐全的微型肝脏的人。下一步是看一看把这种肝脏移植到动物体内后,它们是否还能继续正常工作。 这项研究成果将于31日在
波士顿
美国
肝病
学会年会上公布,它的最终目标是为需要进行肝移植的患者提供替代肝脏,解决捐献肝脏供不应求的问题。除此以外,这种肝脏还能用来试验新药物。
再生医学
教授和
项目主管
沙伊·索科尔说:“这项研究将会出现的可能性让我们感到非常兴奋,但它目前还只处于初级阶段,在它为患者谋福利前,还有很多技术障碍需要克服,这让我们感觉压力很大。我们不仅要学会如何一次培植出数十亿个
肝细胞
,以便制造可以给患者移植的肝脏,而且我们还必须确定这些器官是否可以安全用在患者身上。”
这项研究的第一作者佩蒂罗·巴比蒂斯塔表示,这是第一项利用人类肝细胞在实验室里培植肝脏的研究。他说:“我们希望被移植到动物或患者体内后,它们能像在实验室里一样继续正常工作。”为了制作这种器官,科学家利用一种清洗剂把动物肝脏上的所有细胞清除掉(这一过程被称作整体器官脱细胞),只剩下
胶原质
“支架”,或称支撑结构。然后用两种人类细胞:被称作起源的未成熟
肝细胞
和
内皮细胞
取代原有细胞。
利用肝脏里拥有一系列更小
脉管
的大脉管把这些细胞植入到肝脏支架里。经过整体器官脱细胞过程,这个脉管网络仍保持完好无损。紧接着科学家会把这个肝脏放进一个
生物反应器
里,它是为整个器官提供恒定流量的
营养液
和氧气的特殊仪器。在生物反应器里呆上一周后,科学家证实它进一步形成了人类肝脏组织,并产生了与之相关的功能。这时他们会对这个
生物工程
器官内部的
细胞生长
情况进行仔细观察。利用
动物细胞
制作肝脏的能力在以前就得到了证实。然而人们并不清楚能否利用它制作一个功能健全的人类肝脏。
研究人员表示,当前这项研究揭示了一种整器官
生物工程学
方法,结果可能会证明,这项技术不仅对治疗
肝病
至关重要,而且对肾脏和胰腺等器官的生长也很关键。威克弗里斯特大学浸信医学中心
再生医学
研究所研的科学家都参与了这个项目和其他很多组织及器官研究项目,而且还在研发用来恢复器官功能的细胞疗法。生物工程肝脏还能用来评估新药的安全性。巴比蒂斯塔说:“这更接近于人类肝脏里的模拟药物新陈代谢,该过程在动物体内很难再现。”
[2]
预测
在整个
人体骨骼
中,头骨是结构最为复杂的骨骼,一旦它出了问题,轻者可能影响大脑的工作,重者会伤害人的性命。近日,
北京工业大学
与
天坛医院
合作,采用
吉林大学
李明哲
博士研究发明的“无模
成形技术
”,成功完成了病人的颅骨修复手术。这一新技术的应用,能使因意外情况导致头骨受损伤的患者得到彻底治愈。
据
天坛医院
曾参与我国首例采用该技术修复颅骨手术的
赵元立
博士介绍,这项技术解决了我国目前颅骨修复技术水平偏低的现状,手术时间大大缩短,手术风险降低,减轻了病人的痛苦,也为颅骨快速修复提供了坚实的技术基础,新技术的成功,标志着中国颅骨修复术正逐步向数字化
技术发展
。
“无模成形技术”的发明人李明哲博士在接受记者采访时介绍,他们首先通过拍摄、扫描、无
接触测量
等方式取得患者颅骨的数据,并在计算机里完成颅骨
CT
数据的
三维重建
,最后将设计好的
修复体
数据直接传输到数控无模多点成形设备上,就可以制造出患者颅骨的修复体。因为这项技术不需要
铸造材料
,也不必制造成模具,从获得CT数据到制作出
颅骨修复体
的过程,只需两小时左右,大大提高了制作效率。
待“模具”成型后,与计算机相连的设备将根据这些数据制造出与损伤部位大小吻合的
钛合金
材料,并植入缺损部位。与
其他材料
相比,钛合金材料具有厚度小(7毫米左右)、透氧等优点。令人关注的是,植入的钛合金不会与人体产生排斥作用,可以与人体“长”在一起,且它永久不会变形,体积不会缩小。
李博士说,他们现在正着手研究将这项新技术与
细胞生物学
联系起来,如果两种技术能结合成功,那么不用填充任何材质,只需将患者身体上少量的
组织细胞
填补到身体任何一块骨骼、骨骼器官等缺损部位,就能“长”成新的组织或器官,从而最终在人体上实现无损伤
创伤修复
和真正意义上的功能重建。通俗地讲,这种方法不是“挖肉补疮”式的修复,更不是“移花接木”式的手术,而是利用人体自身细胞,使原先缺损的组织和器官沿着设计好的支架、模型顺其自然地成长起来。此外,该技术还能广泛用于工业制船、飞机、汽车、机床等大型零件或设备。
器官移植
1954年,美国
波士顿
的医学家哈特韦尔·哈里森和
约瑟夫·默里
成功地完成了第一例
人体器官移植
手术——
肾移植
手术。为了避免出现身体排斥外来组织这个最大的难题,这次手术是在一对双胞胎身上进行的。尽管如此,它还是开创了人体器官移植的新时代。
1963年,医学家们在肺和肝脏移植方面进行了尝试。接着,
南非
的克里斯蒂安·
巴纳德
医生和美国的诺曼·沙姆韦和登顿·库利医生相继完成了
心脏移植手术
。直到70年代后期
环孢菌素
这种能抑制身体攻击外来器官倾向的
药物研制
出来以后,
器官移植
才成为常规疗法。
时光流逝了90年,如今人类自身间的器官移植已经非常普遍。目前,全世界每年大约进行了1万多例
肾移植
、1千例左右
肺移植
、2000例左右
心脏移植
、4000例左右
肝移植
和1000例胰移植手术,迄今已有数万名患者通过他人捐献的器官获得了新生。
首先,一个人身上的器官移植给另一个人时,难免受到排斥,就象是一个在热带生活了几十年的人突然让其到
北极
生活,北极的寒冷气候肯定会排斥他一样。目前,接受器官移植的病人终生都须服用抑制的药物,以防止体内出现
排异反应
。但这些药物同时又对整个
免疫系统
产生作用,会降低病人抵抗疾病的能力。
另外一个障碍是,器官移植的手术的出现使很多患者看到了健康的曙光,等待接受器官移植的人越来越多,但是愿意捐献器官的人却没有这么多。据估算,目前世界上约有25万病人等待做器官移植手术,但是每年
有机会
接受这种
手术治疗
的患者只有约5万人左右。比如说,西班牙是世界上人均捐献器官最多的国家,每一百万居民中有27人捐献器官,但是西班牙每年却有500人需要接受
器官移植
。美国从1984年开始实行器官的有偿供给,销售额逐年上升。“人体器官库”和“
细胞库
”在美国迅速发展起来。这些“器官库”把脑死亡者和心脏停止跳动者捐献的
心脏瓣膜
、皮肤、血管和肝脏的细胞等收集起来,有偿提供给需要进行器官移植者或新药开发者。这项商业的“利益”很大,如今包括
红十字会
在内,加入“全美
人体器官
库协会”的企业约达到70家。如果再加上非成员团体,以及从事细胞和
遗传基因
商品化的企业在内,那么数量将超过数百家,而且企业数量和销售额都在逐年增加。华盛顿的一位律师估计,“包括
生殖器
官等商业在内,美国的‘人体器官市场’的规模已经超过了100亿美元”。
最早的
异体移植
是在1906年,医生大胆地把猪和山羊的肾脏分别移植到两个病人身上。遗憾的是,由于当时还不为人所知的
排异反应
,病人很快就死了。1992年,美国
匹兹堡大学
医学中心又开始了这样一种尝试,他们把
狒狒
的肝脏移植给一名35岁男子,这名男子因患
乙型肝炎
导致肝脏坏死。他们先把一只15岁雄性狒狒的肝脏取出来,然后植入这位
生命垂危
的男子体内。医生担心移植人的肝脏后新肝脏同样会被
乙型肝炎病毒
破坏,因而决定使用狒狒的肝脏。手术后当天,狒狒肝脏就开始发挥功能。为了减少患者体内对狒狒肝脏的
排异反应
,医生们采用多种抗排异反应药物,包括尚处于实验阶段的
FK506
。7月2日这位男子手术后第一次刮了胡子,并开始食用
流质食物
,并且可以下地走路。但是,两个月后这名男子出现了
发烧
症状,经
X光
胆管
检查后又发现血液感染,不久后就死去。
把动物
器官移植
给
人体实验
的失败并没有让科学家气馁。为了寻找这种跨物种器官移植手术的奥妙,他们又在动物之间进行了类似的实验。英国
剑桥大学
的科学家自1992年开始饲养世界上第一群心脏中含有人基因的猪,科学家是将猪
卵细胞
中植入人的一种基因后培养出这种猪的。
个性化
有些人与生俱来就有部分器官残缺,还有些人遇意外事故(如车祸、疾病等)而失去某个器官,这些人的一生都在痛苦中度过。然而科学技术的发展,给器官缺损的患者带来了福音,使他们有望安装真正属于自己的个性化人造器官。
据统计,仅在美国,每年就有数百万患者患有各种组织、器官的功能丧失或
功能障碍
症,因而需要进行800万次手术,年耗资400亿美元。我国
器官移植
的供需矛盾也极为突出,目前全国有约150万名
尿毒症
患者,而每年却只能做3000例左右
肾脏移植
手术;有400万
白血病
患者在等待骨髓移植。
现在,
生物医学
专家希望利用
细胞生物学
、
分子生物学
以及
材料科学
等最新技术,用人工培养的方法培养出人体需要的正常组织。也许将来医院就能像工厂生产零部件一样,根据患者的器官缺失情况,有针对性地培养患者所需器官,这些利用
生物学方法
生产的人造器官将更适合人体;而且还可以结合先进的电脑技术,为每一个患者提供与其原器官相似的人造器官。简单地说,个性化人造器官就是利用患者自身的局部组织或细胞,结合一些高分子材料,在患者身体的相关部位培养出最“贴己”的器官。
制造人造器官时,生物学家首先会制定构建某种组织或器官的
设计图
,并按照图纸要求制备一种特殊的骨架,这种骨架具有降解特性,降解后对人体无害,并能提供细胞生长场所。生物学家将患者残余器官的少量
正常细胞
作为“
种子细胞
”,“种”在人造骨架上,并提供合适的
生长因子
,让
细胞分泌
出建造组织或器官所需的
细胞间质
,最后制作骨架的
生物材料
在细胞培育过程中,逐渐降解消失。整个器官在完全
无菌
的
生物反应器
里培养,等到整个器官在体外“长”好之后,再移植到患者体内,由于是患者自身细胞“长”成的器官,因此不会产生排斥反应。
美国
马萨诸塞大学
的查尔斯·瓦坎蒂教授,在
生物反应器
里为两位被切掉拇指的机械师培育了拇指的
指骨
。一个由美国
波士顿儿童医院
的医生组成的医学小组,正计划把用胎儿细胞培育的膀胱植入人体。美国阿特丽克斯公司生产了一种掺有
生长激素
和药物的
可吸收生物材料
,它能促进牙龈组织再生。德国的赫尔穆特·德雷克斯勒教授,从
心肌梗塞
患者的骨髓中提取干细胞,经过一系列特殊处理后,这些病人的
自体干细胞
通过特制导管被植入发生梗塞的心脏动脉中。试验结果显示,接受此项治疗的病人心脏能够自行康复,并可再生心脏
肌肉组织
。
日本政府还将推行一项用纳米
技术开发
人造器官的计划,该计划被称为“人体建筑”。以大阪大学产业科学研究所川合知二教授等人组建研究小组,全面推行此项计划,估计5年内将投入295亿日元。目前,研究人员已经利用纳米技术研制出个性化的
人造皮肤
和血管。
现在人造器官的研究发展很快,美国生物学家、
诺贝尔奖
获得者吉尔伯特认为,在50年内,人类将能够培育出人体的所有器官。个性化人造器官将是21世纪具有巨大潜力的
高技术产业
,必将产生巨大
社会效益
和
经济效益
。