可以批量制造的人体器官

刘翔终于做手术了，飞人的阿克琉斯之踵—那条发炎钙化的跟腱，牵动了无数人的心，让国内外顶尖专家大费周章。这仅仅是一条发炎的跟腱而已，对于那些在各种事故、病痛折磨中骨断筋折，器官衰竭的病人来说，恢复健康乃至保住性命，更是一个巨大的挑战，不管是对病人自己，或者他的家人和医生，都是如此。

如果能够像修理汽车一样，用新“零件”来替换我们身上那些被损坏的“旧零件”，岂不是可以更简单解决这些难题，拯救更多生命？其实，这个梦想并非今人独有，它自人类拥有了文明之后便存在了，数千年来，人类一直在为了实现这个梦想而努力。人们在出土的古埃及文物中就发现过用木头和皮革制作的义足，至少在外观上达到了相当逼真的程度。在伊朗东南部的巴鲁奇斯坦省，人们发掘出一具距今4800年的年轻女性遗骸，在骸骨的一个眼眶里，是一个假眼，假眼上镶嵌有金丝，用来模拟真眼上的血管。希罗多德在公元前484年写就的《历史》当中记载过一个名为海格希斯特拉图斯的波斯战士，砍下了自己的脚，从枷锁中逃脱，后来他戴上了木头做的脚，这只义足虽然比古埃及义足晚许多，但它是西方见诸文字的最早修补躯体的尝试。

然而，不管是埃及义足还是伊朗假眼，都是中看不中用的摆设，不能使它们的主人健步如飞或者恢复哪怕一丁点儿视力，实际上，连佩戴舒适都谈不上—伊朗假眼上留有明显的发炎的痕迹，它美丽的女主人因为它染上了沙眼。

从骨骼血管开始尝试

用木头、皮革、铜铁造出一个有功能的人体零件，特别是复杂的脏器，显然是几乎不可能实现的。随着人们对我们自身了解的逐步深入和外科技术的日益精细，从上个世纪初开始，人们又开始尝试器官移植（广义的器官移植包括角膜等组织移植和细胞移植）。由于我们身体的免疫器官有着强烈的排他性，所以直到环孢菌素、环磷酰胺等抗排异药物的出现，成功的器官移植才得以实现。即使今天，进行器官移植仍然是复杂而困难的，技术难度是一方面，更重要的是可供移植的器官实在太稀少。我国目前每年约有150万人等待别人的器官救命，但只有不到1万人能够如愿以偿，在器官捐献网络发达的美国，能够最终等到供体器官的病人也不足三十分之一。

许多科学家再次把目光集中在机器上，用机器来取代部分器官的功能，当然，再也不是木头皮革的简单拼凑。如今，你可以在一家普通规模的医院里看到这种尝试的结果：透析机，许多肾病病人每隔两天就要与之亲密接触；人工心肺机，重症监护室和胸科手术室里都离不开它，有了它，医生才可以让我们的心脏暂时停止跳动以完成精细的心脏搭桥手术。不过，也只有你亲眼见过它们才会意识到，人类的智慧离着万能的造物主还有多大的距离，且不说功能上的不完善，与在我们不大的躯体里安家落户的心脏、肺、肾脏相比，那些冷冰冰的机器动辄就有电冰箱那么大。用这些大家伙暂时维持生命还可以，但谁又能忍受把自己永远连接在它们身上，变成它们的一部分而不是相反呢？

要能称得上“人造器官”，除了功能性之外，必须还要小巧、便携，最好能植入体内。当然，还要节省能源—隔几分钟就要充电一次可不行，万一罢了工，那可是要命的。

感谢造物主，它赋予人类一颗无与伦比的大脑，使得我们拥有无尽的创造力，在那些庞大的透析机和心肺机的基础上，科学家们继续前进，向着人造器官的梦想靠近，有些成就甚至已经把这个梦的一部分转变成了现实。

人造血管是人们的最早尝试。1887年，有人用象牙管子替代血管，1900年，出现了金属镁血管，其后有大量的用各种金属和玻璃制造血管的试验，但无一成功，原因并不是这些材料硬梆梆不似血管，而是凝血问题，即便人们在这些管子的内壁上涂上蜡和各种其他材料，都无法阻止血液的凝固。上世纪50年代初，人们用化纤材料维纶编织成血管，获得了成功，其后尼龙、奥纶、涤纶甚至蚕丝这些原本用来造丝袜和衬衫的材料都用来制作人造血管。它们成功的原因竟然是不够光滑，这些材料的表面充满了褶皱和空腔，血流中的纤维蛋白原在凝血酶的催化下变成纤维蛋白附着在这些人造血管的表面，继而生长成一层假内膜，阻碍了其他血细胞与人造血管的接触。

目前，人造血管的流行“面料”是聚四氟乙烯或者它的类似物，聚四氟乙烯其实并不是什么稀罕物，水管工用聚四氟乙烯缠绕管道接口以防渗漏，他们管那叫做“生料带”。另外，厨房里也经常可以看到它，它的商品名叫做“特氟龙”，各种不粘锅的表面正是这种材料。

骨骼的功能看上去很简单，就是支撑而已，因此人造骨骼也是人们最早取得突破的领域。人们为了找到又轻又硬又韧的材料不惜动用军事科技前沿技术，金属可以铸造、锻造、拉伸、研磨、抛光、焊接，最早的人造骨骼材料就是金属，那些容易锈蚀的金属当然不能被植入体内，于是不锈钢成了人们的第一选择。稍后又有钴铬钼合金，这是制造坦克装甲的材料。后来，钛成了人类的宠儿，它比铁坚硬，密度却只有铁的一半，而且极为耐腐蚀，于是人们先把它搬上了飞机导弹，稍后又用来制造人造骨骼。许多号称金刚不坏的坦克装甲里有陶瓷的身影，其实它的结构跟人类骨骼的结构比较类似，而且陶瓷与人体的亲和力很好，因而氧化铝陶瓷之类的材料也成为人们制造骨骼的选择。

相比骨骼，关节要更复杂一些，因为它是骨骼的连接，不但要结实，还要耐磨。植入体内的关节不能像自行车轴承一样上油维护，一次耐磨润滑是人造关节首要考虑的问题。金属材料对金属材料磨损率较高，磨出来的金属碎屑更是严重危害身体健康。塑料似乎是一种十分柔软的东西，与骨骼相去甚远，但一种名为超高分子聚乙烯的材料却是制造关节，特别是髋臼的重要材料。相信即便没有医学背景的读者也可以从铺天盖地的小广告中多少了解到股骨头坏死的发病率之高，股骨头就是大腿骨的上端，与我们的髋关节，也就是大胯相连。因此人工髋关节置换是最常见的关节置换手术。髋关节与股骨头相摩擦的面称为髋臼，超高分子聚乙烯制造的髋臼与金属股骨头、陶瓷股骨头都有很好的相容性。有了人造骨骼和人造关节，下一个问题是怎么把它们与原有的骨骼连接起来。最开始人们在人造骨骼和关节与活体骨相接的地方刻上花纹或者钻孔，希望活体骨组织能够附着在上面，然而结果并不理想，早期的文献显示人工关节5年松动率甚至可能高达20%。于是人们便想出各种固定的办法。现实生活中，人们对付断裂的东西，最好的帮手就是各种胶水，骨科医生也发明了各种粘骨头的胶水，不过一般叫它们“骨水泥”。最常用的一种骨水泥普通得让人难以置信，相信爱动手的居家男人都用过一种叫做“哥俩好”的胶，“说明书控”们可能会记得它的化学名字—丙烯酸酯，没错，这就是最常用的骨水泥，丙烯酸酯在医学上的另一个应用是造假牙。

如果仔细看断骨的截面，你会发现骨头是松散多孔的材料，而不是像铁棍瓷棒一样是个实心疙瘩，如果把人造骨骼也制成这样的多孔结构，新生的骨组织便会长进这些空隙中与人造骨紧密结合。为此，材料学家们费劲脑筋，想出了诸如粉末冶金、等离子喷涂等等办法。

全球每年有数以千万计的人不幸成为各种意外事故和重大疾病的受害者，看着那些残缺不全的躯体和奄奄将息的生命，我们多么希望医生能像汽车修理工一样用闪闪发光的新零件替换那些损坏的“旧零件”……

人造心脏才算重大突破

使用人造心脏的患者模拟图。

2007年11月25日，一位英国老人离开了这个世界，享年68岁。这个年纪，在现代社会实在算不上高寿。然而，把时钟拨回到2000年，那一年，皮特·霍顿（Peter Houghton）经历了一次严重的心脏病，医生只许诺给了他6个星期的剩余生命。2000年6月20日，老霍顿被推出了英国牛津约翰拉德克利夫医院的手术室，从那开始，他成了一个“铁了心”—准确说是“钛了心”的男人。因为医生给他安装了一个名为Jarvik 2000的钛金属装置，很多报道称之为一颗人工心脏，其实这是不准确的，它的确切名称是左心室辅助装置，简称LVAD（left ventricular assist device）。

人类的心脏有4个腔，两个心房两个心室，其中两个心室的活儿更重，它们要把血泵出心脏。相比之下，左心室最累，因为它要把从肺部流回来的动脉血泵到全身各处，而右心室只需把血泵到离心脏不远的肺部即可。因此，左心室更容易出故障，而一旦出故障也更致命。LVAD就是左心室的替补，右心室的替补相应的被称为RVAD。

VAD最开始用来支持心脏功能以便等待可以供移植的心脏出现，由于效果良好，后来变成了长留体内的装置。第一代VAD是气动式的，它通过一个气泵压缩血液进行流动，模仿心跳的方式。听起来怪吓人，看上去更是不得了，植入体内的泵直径有10～15厘米，连接管道长达15～20厘米，输气管道要穿过腹部的皮肤与体外的电池、控制器相连，因此瘦弱矮小的病人体内根本没有空间安装这套设备，另外，30％～50%的使用者都会受到感染的骚扰。霍顿的Jarvik2000是第二代VAD，它摒弃了对心脏运动模式的简单模仿，通过一个螺旋桨型的叶轮推动血液流动，这极大地减小了体内植入装置的体积，穿出体外的也只是一条供电线路，而非粗大的通气管。有了它，老霍顿得以与妻子共享旅行的快乐，甚至参加了一次150公里的徒步活动为慈善募捐，唯一的不便是他不敢像普通人那样痛快洗个澡—怕漏电。

真正的人造心脏，医学上称为完全人工心脏，简称TAH（totalartificial heart），它不再是辅助心脏工作，而是完全取而代之。1969年4月4日，美国休斯敦德克萨斯心脏研究所，多明戈·利奥塔和邓顿·库里（前者也是世界上第一个LVAD的发明者）给一位垂死的心脏病人换上了一套机械心脏，靠这台气动心脏，病患苏醒过来并感觉良好。64小时后，供体心脏终于等来了，两位医生再次进行手术，将机械心脏换下。事后人们发现，这是个很大的错误。病人32小时之后死于肺部真菌感染，而感染的原因是为了迎接那颗异体心脏而使用的大量抗排异药物摧毁了他的免疫系统，如果不把那颗冰冷的心脏换下，他可以活得更久一些。

这些人造心脏无一例外的都像老霍顿的Jarvik 2000一样需要有通气管或者电源线穿过皮肤。真正意义上的完全体内植入心脏是AbioCor，按照某些媒体的说法，它是一个由钛、塑料和导弹科技组合成的装置，重约1公斤。它的革命性突破在于采取了无线供电技术，通过埋植在腹部皮下的一个接收器获得体外电池供给的电能。此外，它还内置了一个可以连续供电半小时的可充电电池，这样一来，病人就可以摘掉体外电池享受洗浴的快乐。

麻烦不仅仅是洗澡，凝血始终是个大问题，一旦出现凝血将导致中风。为了防止血液凝集，佩戴人造心脏的患者必须使用抗凝血剂，这又造成了出血难止的麻烦。另外，那些“有线”人造心脏的使用者必须跟各种感染作斗争。不管有线无线，这些心脏异常坚硬的人们还要有坚硬的神经，因为他们时刻面临着机器罢工的阴影，毕竟这些冷冰冰的家伙远没有自己原来那颗柔软温暖的心脏可靠。即便这都不是问题，如果想要长途旅行，搭个飞机，机场的安检门就跟他们过不去，那“滴滴滴”的报警声总会告诉别人他们与我们不同。

全球每年有数以千万计的人不幸成为各种意外事故和重大疾病的受害者，看着那些残缺不全的躯体和奄奄将息的生命，我们多么希望医生能像汽车修理工一样用闪闪发光的新零件替换那些损坏的“旧零件”……

自己动手造器官最靠谱

1997年，这只背上长着人耳朵的小老鼠照片震惊了世界（上图），人耳鼠和同年公开的多利羊极大地冲击了人们的观念，甚至引起了不小的恐慌，但从此也开启了组织工程学的一片天地，也给未来培育真正的人造心脏器官作了铺垫下图）

可靠性、相容性差、耐久度差是所有这些机械人工器官的通病，如果能有一个肉乎乎的“原厂配件”，那该有多好。这正是再生医学科学家们努力的目标—他们希望用组织工程和细胞工程学再造器官，而不是模拟它们。1997年，一张照片震惊了世界，照片里，一只浑身光秃秃的小老鼠背上赫然长着一只人耳朵。人耳鼠和同年公开的多利羊极大地冲击了人们的观念，甚至引起了不小的恐慌。1999年10月11日，一个名为“转折点计划”反遗传学组织在纽约时报刊登了整版广告，趴在整个版面上的就是这只看上去有点儿让人起鸡皮疙瘩的老鼠，照片上印着一句话：“这是一张基因工程学改造的背着人耳朵老鼠的真实照片！”

这个故事开始于1989年，查尔斯·瓦康提正在作一项软骨培养实验。软骨是构成我们关节面、耳朵、鼻尖、气管的组成成分，也就是脆骨，烧烤摊上必不可少。在体内，软骨一旦损伤很难再生，特别是那些大关节的软骨，由于软骨磨损出现的关节病十分常见，其中又以膝关节软骨损伤为甚。查尔斯在人体内分离出那些可以分化成软骨的细胞，作为种子，放置在用聚乙醇酸和聚乳酸编织的模板上。种细胞的模板好比就是丝瓜架，没有合适的模板，细胞就不会按照它本来的性状生长。在体内，这模板就是细胞外基质，而在体外培养，科学家们只好自己动手制作。

某一天，他的一位助手告诉他，最难做的软骨，莫过于人的外耳，这一大片几乎是纯软骨，形状又十分复杂。瓦康提下定决心造一个耳朵，如果耳朵都攻克了，其他软骨材料更不在话下。瓦康提下定决心造一个耳朵，如果耳朵都攻克了，其他软骨材料更不在话下。

整形医学界对耳朵的需求也十分巨大，因为这个部件太招摇，车祸、打斗最容易受伤的就是它。花费了巨大的精力，瓦康提和他的同事们终于制造出了外耳的模板，这是一个大约3岁孩子的耳廓模型。接下来就要把它种到土壤里，瓦康提和他的同事选择了裸鼠。裸鼠是一种特殊的实验鼠，它生来没有胸腺，这使得它的免疫能力十分低下，至于无毛，那只是一个“赠品”。几乎没有免疫力的裸鼠对于任何外来的细胞都没有反抗能力，这使得它成了研究肿瘤和移植的最好样本。这里不得不提一位中国人—曹谊林，他在瓦康提实验室做博士后，曹谊林把模板固定在裸鼠背部皮肤之下，上面播撒上牛的成软骨细胞。在裸鼠无私的滋养下，牛软骨细胞逐渐长满了人耳模板，并逐步将其降解，最终成了一个长在老鼠背上的“人耳朵”。

这只是一次小试牛刀，2001年，已经返回国内的曹谊林教授接诊了一名7岁的小男孩，他在一次车祸中失去了6厘米×6厘米大小的颅骨，这相当于他颅骨面积的六分之一。传统的做法是使用别的材料来修补这个破洞，但这个孩子还这么小，他的头骨还会不断地长大。曹教授大胆借鉴了几年前在裸鼠身上长“人耳”的成功经验，他首先给小患者作了详细的头部扫描，用计算机构建出缺损颅骨的三维模型，然后用可降解材料制造一个相同立体结构的模板。从小男孩体内提取出成骨细胞，种植在模板上，埋在小男孩体内。待骨细胞已经长满了模板，便将其取出修补在头上的破损处。这样，曹教授等于把因为车祸失去的那块骨头又变了回来。这个成功的病例轰动了世界。

这种方法的难点之一就是构建模板过于复杂，于是有的科学家另辟蹊径。2008年11月英国著名的医学杂志《柳叶刀》报道了一例人造气管移植的成功病例。多国医疗团队成功地给一名因患肺结核导致左侧气管坏死的30岁女病人移植了一个人造气管。与曹谊林教授的人造颅骨一样，在个病例里，医生们也提取了病人的成软骨细胞，但他们没有费力制造模板，而是借了一个现成的用—医生从一具捐赠的遗体上切下7厘米长的气管，然后用各种酶消化掉了其中的细胞，仅仅留下细胞外基质，这是一个完美的模板，同时由于没有任何细胞，用这个模板生成的新气管也不会出现移植排异反应。

生殖生物学方面，则有刘鸿清教授的出色工作，刘鸿清是康奈尔大学生殖医学中心生殖内分泌实验室的主任，她和同事一起用胶原蛋白做模板，用子宫内膜细胞做种子，培育出了微型的人类子宫和全尺寸的小鼠子宫。其中那个小鼠子宫孕育了一个小鼠胚胎—从受精卵到几乎足月；而微型人类子宫也成功地让一枚人的受精卵着床生长了6天。有些人甚至已经开始担心人造子宫将会给未来社会造成的种种麻烦了。

虽然这些技术距离临床应用尚有很长的路，但是回想一下自100年前的玻璃血管以来人类在人造器官领域取得的进步，谁又能保证再过一些年，不会有一个诞生于人造子宫，胸腔里跳动着一颗温暖的人造心脏的新生命出现呢？

全球每年有数以千万计的人不幸成为各种意外事故和重大疾病的受害者，看着那些残缺不全的躯体和奄奄将息的生命，我们多么希望医生能像汽车修理工一样用闪闪发光的新零件替换那些损坏的“旧零件”……

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  哪些器官可以造？

  
  

今天，借助仿生技术，人们已经可以设计制造出很多人造器官，如血管、肾、骨膜、关节、食道、气管、尿道、心脏、肝脏、血液、子宫、肺、胰、眼、耳以及人工细胞。预计到21世纪中后期，除脑以外人的所有器官都可以用人工器官代替。比如，模拟血液的功能，可以制造、传递养料及废物，并能与氧气及二氧化碳自动结合并分离的液态碳氢化合物人工血；模拟肾功能，用多孔纤维增透膜制成血液过滤器；模拟肝脏，根据活性碳或离子交换树脂吸附过滤有毒物质；模拟心脏功能，用血液和单向导通驱动装置，组成人工心脏自动循环器。

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  再造大脑有多难？

  
  

大脑是人造器官涉足的最后一块禁地，但这并不代表科学家们就没有尝试。给大脑中插入一枚电极，进行深度脑刺激已经是治疗某些严重抑郁、癫痫和帕金森氏综合征引起的肢体震颤的有效手段。反过来，用大脑产生的脑电控制机械装置，这也不是“隔空取物”式的骗人把戏。早在2000年，美国杜克大学的米格尔·尼科莱利斯就让一只脑袋里插着电极的猴子用思维控制一条机械臂取香蕉吃了。而德国图宾根大学的神经科学家尼尔斯·比尔鲍默则用一套人机交互装置让无法行动和说话的瘫痪病人用意识操纵光标来选择合适的字母表达信息了。但认知、记忆，这才是大脑的高级功能。科学家们最感兴趣的部位之一是“海马”，海马区是脑中的记忆储存中心，许多科学家正在努力用芯片来模拟海马的功能，也许有一天，把一套维基百科写入一张小小的芯片，再植入我们的海马，那人人都可以成为万事通了。