基本介紹
- 中文名：人造器官
- 種類：機械性人造器官等三種
- 事例：人造子宮
- 概述：能與生物流體相接觸的材料
種類,事例,人造子宮,人造胃,人造心臟,人造骨骼,人造皮膚,人造視網膜,人造血,人造肌肉,微型肝臟,預測,模具,修復,器官移植,發展障礙,動物器官,個性化,製造緣由,製作方法,研究進展,現存難題,修復產品,
種類
人造器官主要有三種：機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。
機械性人造器官(Mechanical Artificial Organs)
半機械性半生物性人造器官(Biomechanical Artificial Organs)
半機械性半生物性人造器官是將電子技術與生物技術結合起來。在德國，已經有8位肝功能衰竭的患者接受了人造肝臟的移植，這種人造肝臟將人體活組織、人造組織、晶片和微型馬達奇妙地組合在一起。預計在今後十年內，這種仿生器官將得到廣泛套用。
生物性人造器官(Biological Artificial Organs)
生物性人造器官則是利用動物身上的細胞或組織，“製造”出一些具有生物活性的器官或組織。生物性人造器官又分為異體人造器官和自體人造器官。比如，在豬、老鼠、狗等身上培育人體器官的試驗已經獲得成功；而自體人造器官是利用患者自身的細胞或組織來培育人體器官。
科學家樂觀地預料，不久以後，醫生只要根據患者自己的需要，從患者身上取下細胞，植入預先有電腦設計而成的結構支架上，隨著細胞的分裂和生長，長成的器官或組織就可以植入患者的體內。
事例
從人造子宮到人造心臟，從人造骨頭到再生肢體……一組不可思議的科學奇蹟。
人造器官
人造器官人造子宮
Hung-ChingLiu博士是美國康奈爾大學生殖醫學和不育症研究中心的負責人。從2001年起，她的實驗室開始以取自人體子宮內膜的細胞為基礎。
培養單片人體組織。最初的細胞是由不育症患者捐贈的。人造子宮是試管授精研究帶來的一個副產品，研究它的目的同樣是為了幫助那些不育夫婦。認為她們小組將在5～10年內培育出活的老鼠子宮，而人體子宮還要等上更長的時間。
人造胃
06年11月英國科學家研製出一個完全模仿人體消化過程的高科技機械，這個由塑膠和金屬製成的裝置是由英國某個食物研究所的MartinWickham博士和同伴研製出來的。它經得起胃裡的酸和酶的腐蝕，而且最終可能有助於科研人員開發出超級營養品。
人造胃由上下兩部分組成，想一個巨型計算機。其上半部分是一個帶有藍色漏斗的圓筒容器，食物被倒入容器內。這裡是食物、胃酸和消化酶混合的地方。一旦這一過程完成，食物就會在下面一條銀制管子裡被碾碎。這條管子裝在一個透明盒子裡。在我們真正的胃裡，食物隨後將被人體吸收。其中食物在胃裡某個特定部位停留時間的長短、在不同階段的激素反應等等，都是由電腦完成的。
人造心臟
歷史上首個人造心臟Jarvik-7，是在1982年植入病人BarneyClark的體內，BarneyClark共活了112天。另一人造心臟也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr則活了620天。
人造骨骼
如果人體的骨頭不幸受傷，傳統的骨頭移植手術會擷取病患其它部位的骨頭或是利用陶瓷來替代。不過加拿大有一所大學目前正在研發“骨骼印表機”，利用類似噴墨印表機的技術，將人造骨粉轉變成精密的骨骼組織。
人造骨骼
人造骨骼人造皮膚
到目前為止，許多科學家已從生物高分子材料或合成高分子材料中製造出了一二十種人造皮膚。他們把這些材料紡織成帶微細孔眼的皮片，上面還蓋著一層層薄薄的、模仿“表皮”的製品。
人造皮膚人造視網膜
志願者們佩戴著安裝有數字攝像頭的太陽鏡，視網膜上安裝了分布有電極的含銀矽脂，數字攝像頭將拍攝到的圖像以無線的方式傳送到矽脂上的16個電極上，電極產生的信號刺激視網膜上的神經細胞，就使盲人“看到”了圖像。
現在他們預計將來09年投入商業化生產，使更多的人獲得光明的同時，也使科學家有足夠的經費進行下一步的研究。
人造血
1966年，這兩位科學家把一些小鼠放入一桶液體中，並將小鼠完全浸沒在液面下。按說小鼠應該在數分鐘之內死亡，但它們卻活了好幾個小時。桶中的液體含有碳化氟和水，碳化氟分子同水中的氧氣結合，並進入小鼠的血液內。
第二年，另一位美國人Henry給幾隻兔子注射了含有碳化氟和蛋清的混合物。他發現如果這種混合物不超過血液總量的三分之一，兔子就能夠成活。
人造器官
人造器官第一位接受人造血的是日本科學家內藤良知。1979年，他給自己注射200毫升人造血。如今，醫生已經有多種不同配方的人造血供急救用。1980年6月，我國第一次將自己研製的人造血套用於臨床，這一年就有14個病人獲得滿意的結果。
人造血管(Artificial Bloodvessels)
人造肌肉
美國的科學家日前稱，他們最近成功地研製出一種新型的人造肌肉，這種人造肌肉不僅可以自我修復，而且還可以在運動收縮過程中產生電力，這些電力未來甚至可以為你的手機或者MP3播放器充電。
人造血管
人造血管人造肌肉可自我修復並發電
裴齊冰教授說：“在我們對這個新設備進行的長期測試中，實際的材料經歷了許多事件卻仍然能工作。”裴教授所說的“事件”指的是，他們用銷釘對人造肌肉進行扎刺，在這種情況下，其它的人造肌肉會失效，而他們的肌肉模型仍能保持運行。此外，這種自我癒合的肌肉還是高效能的。裴教授說：“它能保存70%你輸給它的能量。”由於這種材料會在膨脹後收縮，碳納米管的重新排列會產生一小股電流，這種電流可被用作另一膨脹的能量或被儲存在電池中。日本的科學家們利用這一理念從海浪中提取能量為電池充電。其他科學家們推測，這種人造肌肉將可被用來捕獲風能。內華達大學雷諾校區的材料科學家金光說：“他將這些碳納米管放在一起的方法真的非常有創意。一些人想利用它來為電池充電。”
能與真人肌肉相媲美
研究人員們表示，他們發明的這種人造肌肉伸縮性已能和人的肌肉相媲美，且伸縮性由材料自身性能決定，無需馬達、齒輪等複雜裝置，體積小、重量輕。研究人員稱，他們最新研發的兩種人造肌肉性能均非常突出，同時具備燃料電池和肌肉的功能。其中一種人造肌肉採用了含催化劑的碳納米管電極，可作為燃料電池的電極將化學能轉化為電能，也可作為超級電容器的電極來儲存電能，還可作肌肉電極將電能再轉化為機械能。另外一種人造肌肉也是目前最強健的肌肉，是通過混合燃料和空氣中的氧氣發生催化反應，將化學能轉化成為熱能，升高的溫度可使製造肌肉的具有形狀記憶功能的金屬材料用力收縮，冷卻後肌肉隨之膨脹放鬆。由於這種燃料電池肌肉所使用的外層塗有納米顆粒催化劑的形狀記憶金屬導線，可在市場上買到，這使得它尤其容易在自動裝置中得到套用。
人造肌肉又叫電活性聚合物，是一種新型智慧型高分子材料，它能夠在外加電場的作用下，通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。在生物材料醫學上，人造器官是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料，或者說是具有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。根據製造器官使用的材料以及其功能，科學將人造器官分為三種：機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中，前兩類型種的人造器官移植後會讓患者產生排斥反應，對受體來說，最為感覺舒適無副作用的是最後一種也就是生物性人造器官。
未來套用前景廣闊
人造肌肉具有廣闊的套用前景。這種材料做成的人造肌肉能像人類肌肉纖維一樣收縮和伸展，並改變胳膊長短。利用人造肌肉收縮和伸展的特性，一旦提供的能量足夠，用這些肌肉作成的裝置就能夠完成跳躍、爬山甚至長途旅行等活動，從而能夠做成更像人類的機器人、更輕便靈巧的人造假肢以及塑膠心臟或心臟隔膜等與人類器官收縮一致的人造器官。科學家還希望將這些人造肌肉材料用在其他方面，比如用來製作微型閥門、柔軟的揚聲器以及可觸摸界面如顯示屏等。
迄今為止，人體的器官已經基本都能夠製造成功並套用到人體，唯獨肌肉沒有做到這一步。因此，人造肌肉具有廣闊的前景。利用人造肌肉收縮和伸展的特性，一旦提供的能量足夠，用這些肌肉作成的裝置就能夠完成跳躍、爬山甚至長途旅行等活動，從而能夠做成更像人類的機器人、更輕便靈巧的人造假肢以及塑膠心臟或心臟隔膜等與人類器官收縮一致的人造器官。新研製的靠燃料驅動的人造肌肉很容易進行微型化甚至納米級設備的生產，採用乙醇或氫等燃料驅動可獲得高出目前最先進的充電電池30多倍的能量，使用壽命更長，可在自治機器人、可變形飛行器以及動態盲文顯示器等多個領域得到廣泛套用。比如可以改進飛行器及航海工具的性能。用酶取代金屬催化劑，有朝一日可能研製出以食物為燃料驅動的人造肌肉，用於人體器官包括人造心臟的移植和再造等。
微型肝臟
台北時間2010年11月1日訊息，據物理學家組織網報導，美國威克弗里斯特大學浸信醫學中心再生醫學研究所研究人員已經在實驗室培植替代肝臟方面達到一個新的轉折點，它雖然還只處於早期階段，但是意義重大。他們是第一批利用人類肝細胞製造出像人類肝臟一樣功能齊全的微型肝臟的人。下一步是看一看把這種肝臟移植到動物體內後，它們是否還能繼續正常工作。 這項研究成果將於31日在波士頓美國肝病學會年會上公布，它的最終目標是為需要進行肝移植的患者提供替代肝臟，解決捐獻肝臟供不應求的問題。除此以外，這種肝臟還能用來試驗新藥物。再生醫學教授和項目主管沙伊·索科爾說：“這項研究將會出現的可能性讓我們感到非常興奮，但它目前還只處於初級階段，在它為患者謀福利前，還有很多技術障礙需要克服，這讓我們感覺壓力很大。我們不僅要學會如何一次培植出數十億個肝細胞，以便製造可以給患者移植的肝臟，而且我們還必須確定這些器官是否可以安全用在患者身上。”
微型人類肝臟
微型人類肝臟這項研究的第一作者佩蒂羅·巴比蒂斯塔表示，這是第一項利用人類肝細胞在實驗室里培植肝臟的研究。他說：“我們希望被移植到動物或患者體內後，它們能像在實驗室里一樣繼續正常工作。”為了製作這種器官，科學家利用一種清洗劑把動物肝臟上的所有細胞清除掉(這一過程被稱作整體器官脫細胞)，只剩下膠原質“支架”，或稱支撐結構。然後用兩種人類細胞：被稱作起源的未成熟肝細胞和內皮細胞取代原有細胞。
利用肝臟里擁有一系列更小脈管的大脈管把這些細胞植入到肝臟支架里。經過整體器官脫細胞過程，這個脈管網路仍保持完好無損。緊接著科學家會把這個肝臟放進一個生物反應器里，它是為整個器官提供恆定流量的營養液和氧氣的特殊儀器。在生物反應器里呆上一周后，科學家證實它進一步形成了人類肝臟組織，並產生了與之相關的功能。這時他們會對這個生物工程器官內部的細胞生長情況進行仔細觀察。利用動物細胞製作肝臟的能力在以前就得到了證實。然而人們並不清楚能否利用它製作一個功能健全的人類肝臟。
研究人員表示，當前這項研究揭示了一種整器官生物工程學方法，結果可能會證明，這項技術不僅對治療肝病至關重要，而且對腎臟和胰腺等器官的生長也很關鍵。威克弗里斯特大學浸信醫學中心再生醫學研究所研的科學家都參與了這個項目和其他很多組織及器官研究項目，而且還在研發用來恢復器官功能的細胞療法。生物工程肝臟還能用來評估新藥的安全性。巴比蒂斯塔說：“這更接近於人類肝臟里的模擬藥物新陳代謝，該過程在動物體內很難再現。”
預測
在整個人體骨骼中，頭骨是結構最為複雜的骨骼，一旦它出了問題，輕者可能影響大腦的工作，重者會傷害人的性命。近日，北京工業大學與天壇醫院合作，採用吉林大學李明哲博士研究發明的“無模成形技術”，成功完成了病人的顱骨修復手術。這一新技術的套用，能使因意外情況導致頭骨受損傷的患者得到徹底治癒。
人造器官
人造器官模具
電腦“動手”做模具
據天壇醫院曾參與我國首例採用該技術修復顱骨手術的趙元立博士介紹，這項技術解決了我國目前顱骨修復技術水平偏低的現狀，手術時間大大縮短，手術風險降低，減輕了病人的痛苦，也為顱骨快速修復提供了堅實的技術基礎，新技術的成功，標誌著中國顱骨修復術正逐步向數位化技術發展。
“無模成形技術”的發明人李明哲博士在接受記者採訪時介紹，他們首先通過拍攝、掃描、無接觸測量等方式取得患者顱骨的數據，並在計算機里完成顱骨CT數據的三維重建，最後將設計好的修復體數據直接傳輸到數控無模多點成形設備上，就可以製造出患者顱骨的修復體。因為這項技術不需要鑄造材料，也不必製造成模具，從獲得CT數據到製作出顱骨修復體的過程，只需兩小時左右，大大提高了製作效率。
待“模具”成型後，與計算機相連的設備將根據這些數據製造出與損傷部位大小吻合的鈦合金材料，並植入缺損部位。與其他材料相比，鈦合金材料具有厚度小（7毫米左右）、透氧等優點。令人關注的是，植入的鈦合金不會與人體產生排斥作用，可以與人體“長”在一起，且它永久不會變形，體積不會縮小。
修復
將來修復“順其自然”
李博士說，他們現在正著手研究將這項新技術與細胞生物學聯繫起來，如果兩種技術能結合成功，那么不用填充任何材質，只需將患者身體上少量的組織細胞填補到身體任何一塊骨骼、骨骼器官等缺損部位，就能“長”成新的組織或器官，從而最終在人體上實現無損傷創傷修復和真正意義上的功能重建。通俗地講，這種方法不是“挖肉補瘡”式的修復，更不是“移花接木”式的手術，而是利用人體自身細胞，使原先缺損的組織和器官沿著設計好的支架、模型順其自然地成長起來。此外，該技術還能廣泛用於工業制船、飛機、汽車、工具機等大型零件或設備。
器官移植
自古以來，人類就有這樣一個構想：如果身體的某一個器官出現病症，能不能象機器更換零件一樣更換器官。
人造器官
人造器官1954年，美國波士頓的醫學家哈特韋爾·哈里森和約瑟夫·默里成功地完成了第一例人體器官移植手術——腎移植手術。為了避免出現身體排斥外來組織這個最大的難題，這次手術是在一對雙胞胎身上進行的。儘管如此，它還是開創了人體器官移植的新時代。
1963年，醫學家們在肺和肝臟移植方面進行了嘗試。接著，南非的克里斯蒂安·巴納德醫生和美國的諾曼·沙姆韋和登頓·庫利醫生相繼完成了心臟移植手術。直到70年代後期環孢菌素這種能抑制身體攻擊外來器官傾向的藥物研製出來以後，器官移植才成為常規療法。
時光流逝了90年，如今人類自身間的器官移植已經非常普遍。目前，全世界每年大約進行了1萬多例腎移植、1千例左右肺移植、2000例左右心臟移植、4000例左右肝移植和1000例胰移植手術，迄今已有數萬名患者通過他人捐獻的器官獲得了新生。
發展障礙
器官移植障礙多
不過，器官移植遇到的發展障礙也讓世界各國的醫生們頗為頭疼。
首先，一個人身上的器官移植給另一個人時，難免受到排斥，就象是一個在熱帶生活了幾十年的人突然讓其到北極生活，北極的寒冷氣候肯定會排斥他一樣。目前，接受器官移植的病人終生都須服用抑制的藥物，以防止體內出現排異反應。但這些藥物同時又對整個免疫系統產生作用，會降低病人抵抗疾病的能力。
另外一個障礙是，器官移植的手術的出現使很多患者看到了健康的曙光，等待接受器官移植的人越來越多，但是願意捐獻器官的人卻沒有這么多。據估算，目前世界上約有25萬病人等待做器官移植手術，但是每年有機會接受這種手術治療的患者只有約5萬人左右。比如說，西班牙是世界上人均捐獻器官最多的國家，每一百萬居民中有27人捐獻器官，但是西班牙每年卻有500人需要接受器官移植。美國從1984年開始實行器官的有償供給，銷售額逐年上升。“人體器官庫”和“細胞庫”在美國迅速發展起來。這些“器官庫”把腦死亡者和心臟停止跳動者捐獻的心臟瓣膜、皮膚、血管和肝臟的細胞等收集起來，有償提供給需要進行器官移植者或新藥開發者。這項商業的“利益”很大，如今包括紅十字會在內，加入“全美人體器官庫協會”的企業約達到70家。如果再加上非成員團體，以及從事細胞和遺傳基因商品化的企業在內，那么數量將超過數百家，而且企業數量和銷售額都在逐年增加。華盛頓的一位律師估計，“包括生殖器官等商業在內，美國的‘人體器官市場’的規模已經超過了100億美元”。
動物器官
人能用動物器官嗎？
最早的異體移植是在1906年，醫生大膽地把豬和山羊的腎臟分別移植到兩個病人身上。遺憾的是，由於當時還不為人所知的排異反應，病人很快就死了。1992年，美國匹茲堡大學醫學中心又開始了這樣一種嘗試，他們把狒狒的肝臟移植給一名35歲男子，這名男子因患B型肝炎導致肝臟壞死。他們先把一隻15歲雄性狒狒的肝臟取出來，然後植入這位生命垂危的男子體內。醫生擔心移植人的肝臟後新肝臟同樣會被B型肝炎病毒破壞，因而決定使用狒狒的肝臟。手術後當天，狒狒肝臟就開始發揮功能。為了減少患者體內對狒狒肝臟的排異反應，醫生們採用多種抗排異反應藥物，包括尚處於實驗階段的FK506。7月2日這位男子手術後第一次颳了鬍子，並開始食用流質食物，並且可以下地走路。但是，兩個月後這名男子出現了發燒症狀，經X光膽管檢查後又發現血液感染，不久後就死去。
人造器官
人造器官把動物器官移植給人體實驗的失敗並沒有讓科學家氣餒。為了尋找這種跨物種器官移植手術的奧妙，他們又在動物之間進行了類似的實驗。英國劍橋大學的科學家自1992年開始飼養世界上第一群心臟中含有人基因的豬，科學家是將豬卵細胞中植入人的一種基因後培養出這種豬的。
個性化
有些人與生俱來就有部分器官殘缺，還有些人遇意外事故(如車禍、疾病等)而失去某個器官，這些人的一生都在痛苦中度過。然而科學技術的發展，給器官缺損的患者帶來了福音，使他們有望安裝真正屬於自己的個性化人造器官。
人造器官
人造器官製造緣由
為何製造個性化人造器官
據統計，僅在美國，每年就有數百萬患者患有各種組織、器官的功能喪失或功能障礙症，因而需要進行800萬次手術，年耗資400億美元。我國器官移植的供需矛盾也極為突出，目前全國有約150萬名尿毒症患者，而每年卻只能做3000例左右腎臟移植手術;有400萬白血病患者在等待骨髓移植。
現在，生物醫學專家希望利用細胞生物學、分子生物學以及材料科學等最新技術，用人工培養的方法培養出人體需要的正常組織。也許將來醫院就能像工廠生產零部件一樣，根據患者的器官缺失情況，有針對性地培養患者所需器官，這些利用生物學方法生產的人造器官將更適合人體;而且還可以結合先進的電腦技術，為每一個患者提供與其原器官相似的人造器官。簡單地說，個性化人造器官就是利用患者自身的局部組織或細胞，結合一些高分子材料，在患者身體的相關部位培養出最“貼己”的器官。
製作方法
怎樣製作個性化人造器官
研究進展
個性化人造器官研究進展
美國麻薩諸塞大學的查爾斯·瓦坎蒂教授，在生物反應器里為兩位被切掉拇指的機械師培育了拇指的指骨。一個由美國波士頓兒童醫院的醫生組成的醫學小組，正計畫把用胎兒細胞培育的膀胱植入人體。美國阿特麗克斯公司生產了一種摻有生長激素和藥物的可吸收生物材料，它能促進牙齦組織再生。德國的赫爾穆特·德雷克斯勒教授，從心肌梗塞患者的骨髓中提取幹細胞，經過一系列特殊處理後，這些病人的自體幹細胞通過特製導管被植入發生梗塞的心臟動脈中。試驗結果顯示，接受此項治療的病人心臟能夠自行康復，並可再生心臟肌肉組織。
人造器官
人造器官中國的曹誼林教授曾在裸鼠身上成功地移植了人造耳，這是世界上第一個個性化人造耳。
日本政府還將推行一項用納米技術開發人造器官的計畫，該計畫被稱為“人體建築”。以大阪大學產業科學研究所川合知二教授等人組建研究小組，全面推行此項計畫，估計5年內將投入295億日元。目前，研究人員已經利用納米技術研製出個性化的人造皮膚和血管。
現存難題
需要解決的難題
要使個性化人造器官成為一項巨大而成熟的產業，目前還需要解決以下問題：首先，由於科學家對再生過程中的基礎生物學理解不夠充分，因此還不能生產特別理想的人造器官;其次，如何獲得可靠的組織細胞來源，並使它們能夠在體外大量快速繁殖增長;第三，目前還缺乏理想的仿生材料用以製造人造器官支架，這些材料要求可被人體吸收，降解後對人體無害，且對組織和器官不留任何後遺症。
修復產品
生物醫學工程資深科學家、同濟大學講座教授文學軍教授主持研發出廣泛套用於臨床治療的“系列醫學納米材料及組織再生修復產品”。
