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生物制造:器官移植供体来源的“潜力股”

已有 1663 次阅读 2008-4-28 15:08 |个人分类:名记大作

随着20世纪的重大医学成就之一 ——器官移植手术的广泛应用,器官供体短缺的矛盾也日趋严重。据统计,目前大约有4/5需器官移植的病人在等待供体的过程中死亡,因此急需解决器官移植供体的来源问题。在国家自然科学基金资助下,由杭州电子科技大学生物制造研究中心教授史廷春带领的课题组,通过制造人工器官为解决这个问题寻找到一种极具发展潜力的方法。
 
  
 
 
  记者:陈晨
    
 
   
   
为什么要生物制造?
 
当人体的某一器官出现病变导致功能衰竭,威胁到人的生命时,植入健康器官代替原有器官就成为现代医学延长生命的重要手段。广义的器官移植包括细胞移植和组织移植。若献出器官的供者和接受器官的受者是同一个人,这种移植称自体移植。供者与受者虽非同一人,但供、受者是同卵双生子,有着完全相同的遗传素质的移植叫做同质移植。除上述两种情况外,人与人之间的移植称为同种(异体)移植;不同种动物间的移植(如将黑猩猩的心或狒狒的肝移植给人)属于异种移植。
 
但是,由于供移植的器官来源有限,许多需要进行器官移植手术的病人往往在等待供体的过程中死亡,因此解决器官移植供体的来源问题刻不容缓。而采用生物制造方法获取人工器官,就成为取代同种和异种器官移植以及机电式人工器官植入的极具发展潜力的方法。
 
“作为制造概念的一个独特分支,生物制造是一个崭新的研究领域,它集合了信息科学、制造科学、材料科学、生命科学等多学科相关的科学和技术。”史廷春介绍说,“在学界主要有两种观点:一种观点认为,生物制造是在微滴、细胞和分子尺度的科学层次上,通过受控组装完成器官、组织和仿生产品的制造,涵盖了体外模型、植入假体和活的组织器官的制造3个层次;另一种观点认为,生物制造是利用生物的机能进行制造(基因复制、生物去除或生物生长)及制造类生物或生物体。”
 
在20世纪80年代中期,有学者提出了组织工程的概念。2004年,又有学者进一步提出生物工程制造的概念,包括服务于生命科学的制造技术、服务于制造业的生物学原理和生物学技术,即仿生制造和基于生物反应的制造技术。这些都属于生物制造的概念范畴。
 
史廷春继续介绍说:“其中,生物医学信息是生物制造的生理和几何基础,生物材料则是生物制造的物质基础。生物医用材料的定义是:一类以诊断、治疗为目的,用于与活体组织接触,且具有功能的无生命材料。以诊断、治疗为目的,它可以移植到人体或动物体内。作为一种不易导致机体不良反应的新型高技术功能材料,它可以用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换病损组织、器官或增进其功能。”
 
目前,已经有多种生物材料得到了广泛应用。从金属、陶瓷等无机材料到塑料、树脂、硅胶等有机材料,从粉体到块体,从单一到复合,生物材料几乎涵盖了材料科学的所有领域。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。因此,生物材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要的意义。
 
在国家自然科学基金的资助下,史廷春课题组从生物材料成形方法学角度,对常见生物材料的成形和应用进行了归纳和对比,得出的结论是生物制造技术是获取具有复杂空间结构和生物功能支架、组织前体(人造器官)的最具有希望和前景的方法。这项成果发表在《自然—科学进展》2008年第4期上。
 
从纯制造的角度入手
 
人类病损组织器官的多样性和复杂性,决定了植入修复物和相应的生物材料将是一个庞大的家族。为了能够植入人体修复病损的组织和器官,生物材料通常要经过成形加工,使之成为粗略或精细、简单或复杂的形状。每一种组织和器官都需要特定的一种或多种材料进行加工和成形。
 
作为一个新兴研究领域,许多医学、化工及生物领域的专家都在生物制造领域进行了大量的研究,但由于受到研究思路的限制,他们的成形方法多显得过于单一和简单。
 
史廷春则从纯制造的角度来开展相关研究。他指出,制造过程是将材料转化为具有一定的形状、精度和功能的物体的过程,生物制造亦不例外。根据材料材质的不同和将要实现的功能的不同,成形方法也多种多样。现代制造业中把材料的成形加工分为去除成形加工、受迫成形加工、离散/堆积成形加工、生长成形加工等。
 
在生物制造领域,去除成形就是从材料上去除多余的部分,实现需要的形状和精度的过程。例如将具有良好生物相容性的钛合金加工成人工骨。而受迫成形是通过外力使材料发生变形,令其充满规定的空间,或者令其达到某种变形程度,从而实现需要的形状。例如用于颅骨修复的钛合金网板,就是依据三维原型设计缺损部位的修复体,然后将设计好的修复体曲面分别导入多点成形模板,经贴合对比裁减钛网板形成最终修复体。
 
但是,由于过于简单和原始,上述方法只适用于修复简单组织器官(如骨骼、皮肤等)的缺损,无法实现修复和替换复杂器官的目的。因此,必须寻找到更好的方法来制造具有生物活性的组织和器官,从而在根本上解决组织和器官的来源匮乏问题。
 
用离散堆积成形法制造复杂生物结构
 
史廷春课题组选择的突破口是,对高分子材料等可以进行离散堆积成形的生物材料成形进行相关研究。他们希望能用材料构建最复杂结构时实现宏观和微观结构的可控性。
 
“我们的研究就是把生物材料像挤牙膏、挤奶油一样沿着事先设定的轮廓进行堆积,并使材料凝固后形成特定的三维结构。”史廷春形象地解释说。
 
具体来说,该方法是按照一定的规则将三维数字模型离散为一系列有序的单元,由成型机接受控制指令,把成形的液体材料通过喷头转换成为微滴,在低于凝固点的成形环境中迅速凝固,并逐步堆积成形,在有约束的情况下得到一个三维物理实体。离散堆积成形对材料的要求很高,这种液体材料既可以是加热熔化获得,也可以是常温下就处于液态,后者可以加入特定的胶连剂使其凝固。
 
史廷春说:“这种成形方法可以获得最复杂的外在几何结构和内在空间结构,制作出我们借助CT、核磁共振的方法获得的人体组织和器官的宏观和微观结构。目前来说,离散堆积成形可能是最理想的制作结构接近天然器官的人工器官的方法。”
 
从材料科学与工程的观点出发,组织可以视同为细胞及其分泌的细胞外基质组成的复杂开放系统。组织的生化功能依赖细胞间及细胞与细胞外基质三维网架的相互作用。细胞外基质能够提供表面,使目标细胞粘连、迁移、增殖和分化,还提供力学支撑。因此,理论上可以将细胞和人工外基质混合,制成具备一定功能的人工组织。课题组就此开展了深入研究,通过离散堆积成形方法建立适宜的空间支架系统,然后在支架上黏附和生长希望制作的人体组织和器官的细胞,从而制作出人工器官。他们最新的成果就是研制出人工耳廓,这项成果有望在近期进入临床实验并推向临床应用。
 
“采用现有的固体支架构件组织器官的主要问题是,血管和组织的长入是单向的,缺乏血管化,因此生成具有形态特征、生理机制和生理功能的组织和器官将因时间滞后性而难以满足要求,现阶段制造的组织或器官雏形,只能称为器官前体。随着组织工程、自组装技术、工程制造技术、干细胞技术等研究领域的发展和交叉应用,以及具有很好生物相容性和降解性生物材料的研制,将一种或多种细胞与材料直接三维受控组装成形是必然的,即器官直接制造。”史廷春说,“我们在这方面进行的探索性研究已经取得了阶段性成果,但还面临胶连剂的选择和细胞成活率过低等诸多难题,相信在不懈努力下,这些难题必将被攻克。”


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