哪些器官能「人造」？

導讀：現如今，人造器官已經越來越多的出現在我們的視野里，成為了一個個科學奇蹟。人造器官主要包括機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官和生物性人造器官。前兩種人造器官和異體人造器官，移植後會讓患者產生排斥反應，因此科學家最終的目標是患者都能用上自體人造器官。而他們也正在向著這一個目標前進。

人造器官走進生活

隨著科學技術突飛猛進的發展，人造器官已經越來越多的出現在我們的視野里。

人造器官主要包括機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官和生物性人造器官。機械性人造器官是完全用沒有生物活性的高分子材料仿造一個器官，並藉助電池作為器官的動力。半機械性辦生物性人造器官是將電子技術與生物技術結合起來。這種人造器官將人體活組織、人造組織、晶元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應用。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。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。

前兩種人造器官和異體人造器官，移植後會讓患者產生排斥反應，因此科學家最終的目標是患者都能用上自體人造器官。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。而他們也正在向著這一個目標前進。

人造心臟

心臟是人體的重要器官，一個人的心臟出現了問題，其他各個部分的正常運轉都會受到影響。以往人們心臟出現重大問題只能等待心臟移植，但由於可供移植的心臟器官與等待移植手術的病患數量存在很大差距，使得很多人在等待心臟移植的過程中死去。因此用人造心臟來替代病變或損壞的心臟一直是醫學界的夢想。

其實人造心臟早已有之。該人造心臟由醫用塑料和金屬鈦製造，內部裝有一個用微型電動馬達驅動的血泵，動力由一個同時植入患者體內的電池提供，電池可以保證人造心臟正常工作數年，一旦電池電力即將耗盡，只需進行手術，對電池進行充電即可繼續使用。

而休斯敦得克薩斯心臟研究所從事再生醫學研究工作的Doris Taylor正在著手從細胞開始進行重建心臟器官，希望它們有朝一日能重新跳動。如果這個設想成為現實，則可以降低器官移植接受者排異反應的風險。其實這是一個非常簡單的原理。首先，去除死者器官上所有的細胞只留下蛋白支架，然後根據患者的免疫系統匹配相應的幹細胞重新填充。這樣一來，世界各地的移植器官短缺問題就輕鬆得到了解決。

人造心臟

要把培養皿中的細胞構建成一個心臟，需要首先構架一個心臟三維空間「腳手架」。目前，外科醫生和再生醫學研究員Harald Ott已經找到了一個構建心臟支架的新方法。用玻璃和塑料製造一個鼓形的腔室，外接一個塑料管，裡面乘著一個新鮮的心臟。附近是一個泵，可以推動溶解劑通過塑料管到達心臟的主動脈。溶解液會通過血管網路被輸送到心臟各處。這種流動的溶解劑會去除心臟中脂類、DNA、可溶性蛋白質、糖和幾乎所有其他細胞物質，僅留下一個膠原蛋白、層粘連蛋白及其他結構蛋白構成的用於托舉器官的網架。

接著，產生的支架需要被重新填充。在該領域的大多數研究人員通常使用兩種或多種類型的細胞「混合物」，如內皮前體細胞來鋪設血管管道或者「種植」能長成心臟腔室壁組織的「種子」。Ott已經利用iPS細胞做到了這一點。

最後一個挑戰是最難的：將人造的心臟植入活體動物中，並讓它能長時間保持跳動。工程器官可以在一段時間內生存。但儘管研究人員可以用血餵養人造心臟，並能保持它們跳動一會兒，但這些人造心臟都沒有足夠的泵血功能。研究人員表示只有人造心臟具有更高的運作能力，才可以把它移植到更大型的動物身上。

人造腎臟

對於很多慢性腎衰患者來說，透析是維持他們生命的救命稻草，但同時透析也限制著他們生活中諸多方面的自由。除了要花大量時間外，這項治療還需要患者嚴格控制飲食和飲水，並且還要控制體重。不過研究人員正在研發的一款人工腎臟有望幫助慢性腎病患者擺脫束縛。

美國麻省總醫院的科學家將在實驗室培育的人工腎臟移植到小鼠體內後，這個通過「生物工程」法製造的器官成功地發揮了正常腎臟的功能——儘管效率上還不如天然腎臟。

研究者們利用表面活性劑對新死亡的小鼠的腎臟進行處理，去除其細胞僅留下結締組織——如血管的結構成分等構成的支架。然後，研究者接種兩種細胞對器官進行再生：人臍靜脈細胞和新生大鼠的腎臟細胞。

此前，已經有研究團隊通過組織工程技術利用人類細胞研發出了體外腎支持設備，有的已經通過了早期的臨床試驗。不過外科醫生和再生醫學研究員Harald Ott認為，他們的生物工程腎臟，雖然發展得沒有其他技術快速，但優勢是可以像天然的供體腎一樣用於器官移植。

Ott將這種生物工程腎臟效率較低的原因歸結於工程器官的不成熟，他們所製造的腎臟可能並未包含一個正常腎臟所該有的全部細胞。但是他也指出，腎病患者在腎臟功能降至15%以下時才開始透析，因此只要製造的腎臟能夠有正常器官20%的效率，就可以讓患者擺脫透析。

目前，研究者正在將這一技術用於製造人類腎臟和豬腎臟，同時還在研發更加成熟的控制細胞發育的方法。Ott希望他們最新發表的成果能夠吸引其他生物學家的興趣，並參與到這項研究中來。

不過，生物工程技術再生的腎臟要用於人類器官移植還有很長的路要走。Fissell表示，幾乎在所有的醫學領域，從嚙齒動物到人類的技術跨越非常困難，即便是器官支架也一樣。不過他也認為Ott的團隊的工作為了解腎臟發育以及修復提供了很好的平台。

人造皮膚

人造皮膚

20世紀80年代，有科學家先後研製出多種人工真皮，如來源於異體或異種(豬)皮的無細胞真皮基質、以膠原為主要原料經冷凍乾燥後形成的海綿狀膠原膜，此外，還有透明質酸膜、聚乳酸膜等，其基本特點是可誘導自體的組織細胞浸潤生長，形成新的、結構規則的真皮樣組織，從而重建真皮層。20世紀90年代以來，醫學界已成功將複合皮用於大面積深度燒傷創面的修復，節省了傷者自體皮源，提高了就治率。這種人造皮膚直徑約6厘米，厚度為2毫米，外形看起來就像張餃子皮。其來源於被割掉的、沒有受過污染、最為純凈的新生兒包皮。這種將包皮的細胞消化、分離、培養後提取真皮組織和表皮組織，而後再將表皮細胞、真皮纖維細胞複合於牛膠原蛋白支架上重新長成的「人造皮膚」，不僅具有真皮層和表皮層，在色澤、質感、生物相溶性上也都實現了以假亂真。

該人造皮膚可用於燒傷、燙傷、潰瘍在內的皮膚創傷類以及皮膚缺損患者。其使用方法很簡單，就像用創可貼一樣，在無菌條件下打開內包裝，小心清洗皮片，去除殘餘液體，然後分清正反面揭除尼龍膜，貼在創面，之後用紗布包住即可。專家說，目前臨床使用過的患者，沒有出現排異反應，一般在貼人造皮膚期間，患者也沒有任何感覺，不痛不癢，以後就和自體皮膚一樣。創傷較輕的患者一般一周時間就能恢復，創傷較重的恢復起來需要一個月左右。

除了人工真皮，科學家還製造出一種可以感受溫度和濕度變化的電子皮膚。電子皮膚是一種可以讓機器人產生觸覺的系統，其結構簡單，可被加工成各種形狀，能像衣服一樣附著在設備表面，能夠讓機器人感知到物體的地點和方位以及硬度等信息。但是目前現有的電子皮膚大多只能感受外部壓力，對濕度、溫度無法進行感應，與真實皮膚差距較大，新型柔性感測器的發明，使電子皮膚具有了感受溫度和濕度的能力，其功能向著真正皮膚邁進了一大步。其中納米材料的運用，也是發明的一大亮點。

研究人員對於柔性感測器的研發一直充滿興趣，但這項技術卻無法被真正的運用到實際中。若要被廣泛運用，一個柔性感測器必須滿足以下要求：能在低電壓（與攜帶型設備的電池兼容）下運行，能感受較大範圍的壓力，能同時測量多個指標例如濕度、溫度、壓力和化學物質的存在。除此之外，這些感測器還必須具有快速、簡單的生產流程和較為低廉的生產成本。

人造肝臟

新加坡科技研究局的下級研究機構——生物工程與納米科技研究院（IBN）的科研人員研製出與人體肝臟功能近似的「人造肝臟」，可用於新藥品的毒性試驗，從而降低新葯研發的成本。

肝臟是藥物測試的重要器官，因為它能將藥物中的毒素排除。那些無法被排除的毒素可能導致中毒或引發致命性副作用。研究人員利用含植物成分的中粘度羥丙基纖維素，製造與人體肝臟細胞功能高度相似的「人造肝臟」。

研究人員認為，「人造肝臟」是首個能夠敏感預測肝臟對藥物長期反應的測試模型，可助製藥公司在早期階段發現新藥物的毒性，「從而加速新藥品的研發，有效降低成本，對藥品製造公司和消費者都有利」。

利用羥丙基纖維素，IBN製造了一種具有生物相容性的多孔支架，使得肝細胞能夠自發地聚集形成三維的肝臟球體。這些球體與肝臟組織極其相似，因而可用於藥物試驗。IBN的創新性HepaTox晶元是一種「晶元上的肝臟」，可用於測試藥物對肝臟的效果。通過將肝細胞接種與一種微流體系統，這種微型設備可用來篩查處理不同藥物的能力。HepaTox晶元有8個通道，可同時對多種藥物進行試驗。這種小型設備可以顯著減少對肝細胞和藥物的用量，節約成本且不會降低效率。在IBN的微孔膜夾心培養技術中，肝細胞位於微孔膜之間，微孔膜可以控制藥物、營養以及氧氣向肝細胞的輸送，從而獲得更加穩定和可重複的結果。膜的表面經過設計可刺激肝細胞與基質的相互作用，促進肝組織的形成。實驗表明，微孔膜可保持肝細胞功能兩個星期以上，可用於慢性肝臟毒性試驗以及工業級的藥物篩選。

人造大腦

奧地利科學院的研究人員用來源於人類皮膚的幹細胞培養成微型的腦類似器官——迷你大腦。該結構雖然沒有任何成熟的生理結構，但是可以成為一個潛在的研究大腦發育和認知功能障礙的模型。在此之前，研究人員已經利用人類肝細胞培養成類似人眼的結構，甚至還培養成類似大腦皮層的組織層結構等神經組織。在這項最新研究中科研人員首先將幹細胞置於人工凝膠上培養成功能更加強大、結構更加複雜的，與人體大腦和身體其他部位的天然結締組織十分相似的神經組織。然後科研人員將新生成的神經團塊結構置於含有氧氣和營養成分的培養液中。

人造大腦

利用顯微鏡觀察這個迷你大腦，科研人員發現了彼此相互作用而又離散的大腦區域，但是沒有任何成熟的生理結構。這可能是由於誘導大腦成熟需要接收從身體其他部位產生的生長信號。這個球狀結構缺乏血管組織，所以供血不足可能是導致其即使生長十個月，其大小也只有3-4毫米直徑的原因之一。

由於嚙齒類動物大腦發育存在特定物種差異，小頭畸形和其他神經發育障礙往往是難以複製的。該研究培養出的畸形結構也許能成為科研人員研究大腦發育和認知功能障礙的一個模型。研究人員還發現，從小頭畸形患者的皮膚獲取的幹細胞培養形成的細胞團塊不如來源於健康人來源的皮膚幹細胞培養形成的細胞團塊大。通過對該線索進行追蹤，研究人員發現小頭畸形患者的組織塊內的神經幹細胞過早分化，導致正常大腦生長所需的祖細胞數量大大減少。在培養皿中用幹細胞培養出大腦是一項開創性的研究，雖然要培養出功能成熟的大腦可能還需要幾年時間，但是該研究培養出的豌豆大小的神經叢對研究人類神經系統疾病是非常有意義的。

人造耳朵

美國麻省總醫院的科學家成功在實驗室培育出人造耳朵，能夠為傷殘士兵等耳殘者帶去福音。這種人造耳朵可利用患者自身細胞培育，與傳統假耳相比擁有巨大優勢，後者看起來非常不自然。

麻省總醫院組織工程學實驗室負責人表示，科學家在人造耳培育領域努力了20年，但一直未能培育出具有實用性的人造耳。科學家採取的方式是：利用患者的完好耳朵創建電腦模型，而後根據模型製造一個鈦材料支架，外形與耳朵一模一樣，上面覆蓋骨膠原。隨後，他們會從患者鼻腔或者肋骨之間提取一段軟骨組織，將軟骨細胞當成種子，播撒到鈦支架。在實驗室培養皿內培育大約兩周後，鈦支架生長出更多軟骨。隨後，研究人員從患者身上提取一塊皮膚，縫合在支架上。

麻省總醫院實驗室培育的人造綿羊耳在綿羊身上支撐了20周時間，證明他們的人造耳取得成功，能夠應用於人類。此外，他們還利用綿羊細胞培育出在解剖學結構上與人類相同的耳朵，而後將其植入實驗室老鼠背部，使其吸收營養，進行進一步研究。

用於人類患者的人造耳朵將一直在培養皿內生長，直到做好移植準備。科學家表示：「我們已經克服了所有技術問題。」目前，他們正等待美國食品與藥物管理局的批准，准許他們將人造耳移植到患者身上。

4年前，美國政府成立了武裝部隊再生醫學研究所（AFIRM），推進生物工程學研究。AFIRM研究所前負責人表示：「我們的目標將這一領域的所有研究人員召集起來，研發一系列新技術，為傷殘士兵帶去福音。」

人造血管

人造血管

杜克大學醫院的醫生團隊曾經成功將一段人造仿生血管通過手術植入到一位腎病患者的體內，據悉，這段人造血管是利用生物工程技術培育出的，而此次手術也是全美首例成功植入人造仿生血管的手術。

杜克大學醫院的醫生團隊日前成功將一段人造仿生血管通過手術植入到一位腎病患者的體內。

此次接受手術的患者是一位62歲的腎病患者，該患者多年來一直接受腎病透析，而人造血管可以加快血液流動，從而幫助腎病患者順利完成透析過程。

在經過兩個小時的手術後，該人造仿生血管被成功植入到該患者的體內。由於該人造血管是利用人體細胞培育而成，所以將不會在患者體內引起排異等癥狀。而此次手術的成功表明人造仿生血管在安全性和有效性方面已經完全滿足臨床使用的要求。

該項技術由杜克大學和Humacyte公司聯合研發，他們先將捐獻者的人體細胞在特定的設備中培養成人造血管形狀，然後去除掉血管可能會引起免疫反應的特性，從而達到植入人體的要求。

人造仿生血管的首次人類臨床試驗是去年12月在波蘭進行的，而美國食品和藥物管理局最近批准了一項針對20位腎透析患者的臨床試驗，該試驗主要由杜克大學的研究人員負責。

另據悉，研究人員還計劃將這種人造仿生血管應用到心臟搭橋手術上，目前美國每年有40萬患者需要進行心臟搭橋手術。

人造眼睛

南加利福尼亞大學研製的仿生眼項目——人造視網膜。旨在開發一種可以幫助因衰老或疾病導致視網膜受損的人恢復視力的人造視網膜技術，他們已經在志願者身上對植入式微型攝像頭進行了早期的人體試驗。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硅脂，數字攝像頭將拍攝到的圖像以無線的方式傳送到硅脂上的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。

此外，電子眼也成了盲人重獲光明的希望。很久以來，科學界一直在試圖攻克人工視力的難題。1998年美國能源部牽頭組織了數家實力雄厚的國家實驗室和大學，共同創建了一個叫做第二視覺Second Sight的公司。它們推出的人造眼名喚「百眼巨人」Argus。這個系統由以下五部分組成：

視頻眼鏡，整合在鏡片中的兩台數碼相機，獲取實時圖像；視頻處理器，把數碼相機獲得的圖像編碼成電磁信號；發射器，就在眼鏡上，把處理器編碼的電磁脈衝發射出去；接收器，一般放在耳朵上面的頭部皮膚里，很小的一個天線，接收電磁信號，並通過一條細線傳到眼球的後方；視網膜植入裝置，這也是個晶元，1毫米見方，上面有很多個電極，按照處理器發出的指令依次放電，電信號經過視神經傳到視覺中樞。

第一代百眼巨人讓病人恢復明暗視覺。2002年，第一代百眼巨人的視網膜植入裝置只集成了16個電極。也就是說，植入了這種人工眼的6名自願者只能看到16像素的明暗色塊。這會讓病人恢復明暗視覺。第二代百眼巨人讓人看到光明、分辨基本形狀。2009年7月中旬，第二代百眼巨人獲得美國食品與藥品監督管理局FDA的認可進入臨床試驗。二代產品擁有60個電極。這60像素的圖案已經能幫助使用者看到光明，分辨基本的形狀了——比如門在哪裡。第三代產品正在試驗，有望辨認親人的面部特徵。目前，擁有200多個像素的第三代產品正在進行試驗，別小看了這不起眼的200像素，如果它能順利推廣，將能讓至少兩千萬盲人重新擁有辨認親人的面部特徵的能力。

說到人造眼睛，就不得不提到義眼。佩戴義眼是一種面部缺陷的補救措施，並不能夠使患者的視力得到恢復。但對失去眼球的人而言，這絕對是非常了不起的發明。目前全世界95%以上的國家，都運用高分子材料定製義眼片。這種材質讓義眼具有較高的模擬性，不易褪色泛黃，使用壽命上達到15年甚至20年。

人造鼻子

據國外媒體報道，倫敦大學學院的科學家在一名因皮膚癌失去鼻子的男性患者手臂上培育出一個人造鼻子。如果一切順利進行，這個人造鼻子將從手臂上取下，而後移植到患者面部。科學家希望他們的人造鼻子能夠讓患者重獲嗅覺。

這名患者現年56歲，是一名英國商人。倫敦大學學院的科學家從無到有培育人造鼻子在世界上還是第一次。這個新鼻子與患者以前的鼻子幾乎一模一樣，也略向左彎。培育人造鼻子是一種富有開拓性的治療方式。

培育人造鼻子的第一步是根據原有的鼻子製作一個玻璃模具，而後注入類似蜂巢的合成物質，為幹細胞提供一個可以依附的支架，隨後撤走模具。這個蜂巢式結構上面覆蓋著數百萬個幹細胞，藉助於合適的營養物質，它們可以發育成鼻子的軟骨。這一過程在倫敦大學學院的一個生物反應器內完成。

科學家利用一個植入皮下的小氣球讓患者手臂的皮膚逐漸伸展膨脹，直到足以容納人造鼻子。大約兩個月前，培育人造鼻子所需的支架製備完畢，隨後取代皮下的氣球。現在，這個新鼻子正在手臂的皮膚下面不斷發育。之所以植入皮下是因為人造鼻子的發育需要神經網路和微小的血管，同時也需要皮膚的覆蓋。大約3個月後，人造鼻子從皮下取出，而後通過手術移植到患者面部。手術不會給患者留下任何傷疤。手臂的皮膚縫合後逐漸恢復正常。

這名患者不希望媒體透露他的性命。在患上皮膚癌後，他為了消除腫瘤切除了鼻子。手術留下的傷疤以及沒有鼻子造成的心理創傷導致他不願出門。如果這例人造鼻子培育和移植手術獲得成功，將讓其他類似患者受益，例如車禍受害者以及傷殘士兵。

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