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  • 人造器官

    人造器官在生物材料医学上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。人造器官主要有三种: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。

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    种类/人造器官 编辑

    人造器官有三种
    人造器官主要有三种: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

    人造器官 
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    机械性人造器官是完全用没有生物活性的高分子材料仿造一个器官,并借助电池作为器官的动力。目前,日本科学家已利用纳米技术研制出人造皮肤和血管。

    半机械性半生物性人造器官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,在老鼠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。

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    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。

    预测/人造器官 编辑

    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。

    电脑“动手”做模具

    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。

    将来修复“顺其自然”
    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。

    事例/人造器官 编辑

    从人造子宫到人造心脏,从人造骨头到再生肢体……一组不可思议的科学奇迹。

    人造器官 
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    1.人造子宫
    Hung-ChingLiu博士是美国康奈尔大学生殖医学和不育症研究中心的负责人。从2001年起,她的实验室开始以取自人体子宫内膜的细胞为基础。
    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。

    2.人造胃
    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。

    3.人造心脏
    历史上首个人造心脏Jarvik-7,是在1982年植入病人BarneyClark的体内。他共活了112天。另一名也植入Jarvik-7的病人WilliamSchrodedr则活了620天。

    4.人造血
    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。
    第二年,另一位美国人Henry给几只兔子注射了含有碳化氟和蛋清的混合物。他发现如果这种混合物不超过血液总量的三分之一,兔子就能够成活。
    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。

    5.人造血管
    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。
    然而,北海道大学的研究人员强调称,利用鲑鱼皮制造人造血管还存在着一个重要的问题需要去解决,那就是利用鲑鱼皮胶原制造出的人造血管热稳定性较差。它的稳定还有待科学家们进一步研究。

    6.人造肌肉
    美国的科学家日前称,他们最近成功地研制出一种新型的人造肌肉,这种人造肌肉不仅可以自我修复,而且还可以在运动收缩过程中产生电力,这些电力未来甚至可以为你的手机或者MP3播放器充电。 

    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。

    个性化/人造器官 编辑

    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

    人造器官 
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    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。

    为何制造个性化人造器官
    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。

    怎样制作个性化人造器官
    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。

    个性化人造器官研究进展
    1997年,美国南加州一家名为ATS的公司,首次使包皮细胞长成了人造皮肤,目前,人造皮肤已经成为个性化人造器官中最成熟的一个品种。

    美国马萨诸塞大学查尔斯·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。

    中国的曹谊林教授曾在裸鼠身上成功地移植了人造耳,这是世界上第一个个性化人造耳

    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

    需要解决的难题
    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。

    要使个性化人造器官成为一项巨大而成熟的产业,目前还需要解决以下问题:首先,由于科学家对再生过程中的基础生物学理解不够充分,因此还不能生产特别理想的人造器官;其次,如何获得可靠的组织细胞来源,并使它们能够在体外大量快速繁殖增长;第三,目前还缺乏理想的仿生材料用以制造人造器官支架,这些材料要求可被人体吸收,降解后对人体无害,且对组织和器官不留任何后遗症。

    器官移植/人造器官 编辑

    自古以来,人类就有这样一个设想:如果身体的某一个器官出现病症,能不能象机器更换零件一样更换器官。

    1954年,美国波士顿的医学家哈特韦尔·哈里森约瑟夫·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。

    一、器官移植障碍多
    不过,器官移植遇到的发展障碍也让世界各国的医生们颇为头疼。
    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”“细胞库”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”。 

    尽管如此,人体器官市场仍然明显供小于求。如何为人体器官移植找到突破口是科学家们苦思冥想的事情。他们先是想到了用动物器官代替人的器官,然后又想到了用人造器官代替人体器官。

    二、人能用动物器官吗?
    最早的异体移植是在1906年,医生大胆地把山羊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。

    相关词条/人造器官 编辑

    口腔 、牙齿器官心脏皮肤眼睛

    相关链接/人造器官 编辑

    1.http://past.tianjindaily.com.cn/docroot/200308/25/xb02/25391301.htm
    2.http://www.2008red.com/member_pic_344/files/longyu/html/article_1136_1.shtml
    3,http://www.1m9m.com/zhengrong/zxcl/19317.shtml
    4.http://scitech.people.com.cn/GB/98868/7133918.html
    5.http://www.oursci.org/ency/medi/005.htm


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