科学家们更寄希望为人体打造“配件工厂”

为人体打造“配件工厂”

　　如果是人体出现缺损，除了假体再植，如今科学家们更寄希望于组织工程，也就是拿人体细胞和生物材料复合，在特定的环境下“造”出一个活性的人体组织或者器官。这项工程也给材料学家提出了要求——为细胞生长搭建一个房子，房子的建材既要为细胞提供生长空间，又要给它提供生长的动力。　　

　　　　

　　我们熟悉的壁虎具有非常强的再生能力。很多淘气的小孩都干过这样的坏事:看到壁虎总喜欢按住它的尾巴，而这时壁虎就会甩掉尾巴快速逃走，几天之后它却又会长出一条新尾巴来。

　　可是，人就没有这么幸运了，缺损了大块的组织，比如断掉手指，没有外界的帮助，很难再生。而且现在的医学也无法完完全全地再生一个活的手指。

　　作为科学家，我们希望能打造一个人体配件的工厂，那么病人缺失肢体之后，可以在这个工厂中找到他所需要替换的人体组织和器官的配件，甚至能有一个方便的超市，替换人们所需要的器官。到时，凡·高不用再为他割掉的耳朵而发愁，维纳斯也可以轻松地换上她的臂膀，绿野仙踪里的铁皮人，更能找到他能展示爱心的心脏。

　　

骨修复材料稀缺

　　美国每年有600多万例骨伤，五六十万人需骨修复材料。在我国，据民政部门报告，肢体不自由者约有1500万，其中残疾780万，全国骨缺损和关节损伤患者近300万。这个数据告诉我们，组织缺损有多大的数量，人们对其有着迫切的需求。

　　别以为你身强体壮，组织再生和自己没有关系，其实，即使在日常生活中，组织再生也是我们每个人或多或少无法避免的事情。有人在厨房不小心切破了手，这时候你还算幸运，可以拿一个创可贴自己修补一下，几天以后就可以痊愈。如果运气不好，在路上出现了交通事故，撞断了骨头，那可能就需要到医院进行治疗，医生或许会在你的体内植入这样那样的材料。

　　若是人体出现一大块骨的缺损，在这个缺损大到一定程度的时候，它就没办法再自然愈合了，此时，我们就要采用一个生物材料来“帮”这个伤口复原。通常这种生物材料带有多孔，它可以允许组织长入，随着时间的推移，组织长满了多孔的结构内部，同时这种材料又会逐渐地被体内吸收，这样我们就实现了一个非常完美的骨缺损修复。

　　在过去几十年中，人们已经采用了各种各样的材料来修复骨缺损。比如，自体骨就是从自己身上挖下一块骨头去补更重要部位的缺损，但这种拆东墙补西墙的办法显然不是很好的办法。第一它会造成新的痛苦，第二也无法得到足够量的自体骨来补大尺度的缺损。

　　或者，也可以采取异体骨，就是从别人身上拿一块骨头，但这种应用就更有问题。比如它存在免疫排斥反应的问题，同时还有可能传染一些疾病，如艾滋病。

　　还有一种方法是采用人造生物材料，如硫酸钙、碳酸钙都已被临床用来修复骨缺损。磷酸钙更是由于它是人体骨骼的主要矿物组成成分而成为医生的首要选择。不过，磷酸钙真的是最好的吗？我们已经发现在很多情况下，这种材料对于尺寸大的缺损总是“束手无策”。

　　修复肢体的新材料

　　作为材料学家，我们经常自问，什么样的生物材料是最理想的骨缺损修复材料？几年前美国著名科学家拉里·亨奇教授(Professor　Larry　Hench)提出了第三代生物材料的概念。这就是说，我们现在需要的新型生物材料，它不单单可以在体内引导组织生长，而且逐渐被组织吸收，它还要具有生物活性。

　　材料的生物活性也就是让组织更好地自我修复的关键所在。当我们有一块大面积骨缺损，植入一块材料后骨头会继续长，但如果这个缺损尺寸过于巨大，在特定时间内骨长入的距离是有限的，所以随着材料被吸收，我们会发现，这个缺损的修复并不完整。这也就是说，生物活性低的传统材料，难以让大面积缺损完全再生。

　　那么，人体缺失大块组织怎么办？硅酸盐生物活性材料让我们看到了希望的曙光。实验证明，硅酸盐生物活性材料有一些特性，其中最重要的是能够刺激组织再生的生物活性。

　　在一个动物实验中，在兔子体内骨缺损部位植入带有多孔结构的硅酸盐陶瓷，同时也把临床上用的常规磷酸盐陶瓷作为对照。16周之后我们发现，植入的硅酸盐比较快地消失，而磷酸盐还在。如果做一个定量分析，对比分别植入硅酸盐和磷酸盐的动物体内的骨组织生长速度，会发现植入硅酸盐的骨组织生长速度明显比植入磷酸盐的要快。这有力地证明了硅酸盐能促进骨组织的再生。

　　就是这种硅酸盐材料，不但对骨组织再生有促进作用，而且也能解决软骨组织再生的难题。临床中已经运用硅酸盐生物活性玻璃材料来促进软骨组织创伤的修复。

　　众所周知，糖尿病患者创伤愈合能力非常差，尤其是老年人，由于血供情况非常不好，创伤很难愈合。曾经有一位患有糖尿病的老太太不小心碰破了脚上的皮，结果创面越来越大，医生采取了找得到的各种药品来治疗这个缺损，然而几个月后，非但没有效果，创伤仍继续恶化，但用了硅酸盐生物活性玻璃创伤修复材料，短短两周她的创面就痊愈了。

　　同样的奇迹也让一位开胸手术的病人获得重生。由于他的体质原因，手术后大面积创口一直不能完全愈合，在医院躺了四个月也没法出院，最后采用了硅酸盐生物活性玻璃创伤修复材料，两个星期之后创面顺利地愈合了。

　　汶川地震中，这种新型的生物活性材料更是让多名患者重拾希望。常规地震灾害之后，经过统计发现，有超过20％的伤员从废墟中被救出之后，要进行截肢，很难保住肢体。其原因就在于长期压埋之后创面大面积溃烂，若是为了保全生命，必须截去肢体。而汶川地震中，西京医院战地医疗队的医生们首次使用这种神奇的生物活性材料，它很好地控制创面的扩散，促进组织再生。当时一个女性患者手臂大面积溃烂以后，按常规治疗需要截肢，但经过治疗之后，很幸运，她保住了自己的胳膊。

　　

为细胞再生搭建房子

　　如果人体有更大的缺损，光靠填充这些生物活性材料就远远不够了。现在的办法只有采用假体再植，换一个金属或塑料的肢体来维持运动的功能。

　　还记得《变脸》中的画面吗？在手术台上，亚瑟与凯斯·特洛伊的容貌对换了。虽然这只是科幻作家的幻想，但人体缺失了之后，作为科学家，我们的幻想是希望能打造一个人体配件的工厂。这样，病人在缺失了肢体之后，可以在这个工厂中找到他所需要替换的人体组织和器官的配件，甚至能有一个方便的超市，替换人们所需要的各种器官。

　　单靠材料是解决不了这个问题的。科学的发展产生了一个新的技术，就是组织工程。小老鼠的背上却长出了一只人的耳朵，这个轰动一时的耳朵真实地让人们感受到人体配件工厂可能并不只是一个幻想。上海交大第九人民医院曹谊林教授在美国工作期间做出这只非常知名的耳朵，从某种程度上可以代表组织工程技术发展的一个里程碑。

　　组织工程，简单地说，就是拿我们称作种子细胞的人体细胞和生物材料复合，在特定的环境下进行培养，形成一个活性的人体组织或者器官。著名的鼠背上的耳朵就是曹教授用人体的软骨细胞和具有很好相容性的水凝胶生物材料复合成的一个耳朵的形状，然后在裸鼠背上造就出的一个耳朵。

　　组织工程的主要要素有三点，一是生物材料，二是种子细胞，三是活性的分子来促进细胞在生物材料里的生长。作为材料学家，希望找到一种活性的材料替代活性的分子，使材料既为细胞提供生长空间，又给它提供生长的动力。

　　其实，生物材料支架好比细胞的房子，它的三维大孔结构，就如房子的主体构架，主要给细胞提供它生长和活动的空间。而材料孔壁上的微观结构，则好比房子的内部装修，它给细胞提供了一个精细的生活环境。研究已经发现，细胞对纳微米的表面结构是非常敏感的，有一些结构它非常喜欢，就愿意生长。

　　同时，细胞居住的这个材料产生的化学环境，就好比房子装修用的材料，材料如果不好就会有甲醛毒害健康，对细胞来讲，需要构建的不单是无毒环境，而且希望能给它一个主动的促进它生长的环境，能让它更好地形成我们需要的组织。

　　现在，我们正在探索如何构建主体结构和表面微观结构。我们采用特定仿生技术制备出的多孔结构与天然骨的磷酸钙多孔框架结构类似，它们表面的微观结构也非常类似。而在表面微观结构控制方面，我们则采用电纺丝技术。

　　这个技术的原理是有一个高压的电场，在电场之间我们把高分子生物材料溶液喷射出来，在高压电场的作用下，高分子溶液就会像蜘蛛吐丝一样形成纳米的丝的结构。通过电子显微镜可见其如同头发般的粗细，这说明电纺丝技术得到的丝非常细。它的优点在于，它有非常大的比表面积，同时它的结构与细胞外的纳米蛋白纤维的结构也非常类似。

　　最近我们就开发了电纺丝制备纳米生物材料纤维的新技术，常规的电纺丝技术得到的纳米纤维都是一种无序状态的结构。但是在细胞周围，细胞表面纤维结构有时是有取向性的，所以，如果能控制组织再生材料精细的取向结构，就更有利于组织结构再生。

　　此外，对骨修复生物陶瓷表面还可以做各种各样精细结构的调控。这种技术制备了纳米的点状结构，我们称其为纳米的草和纳米的花。这个花看上去和天然的花很像，但是它叶片的厚度只有纳米尺度。虽然现在我们还不知道细胞到底喜欢花，还是喜欢草，还是既拈花又惹草，但是在下一步的研究中，就要找出细胞到底喜欢什么样的精细的装修的结构。

　　第二部分就要看居住的环境到底是怎么样。从人类的房子来说，现在没有甲醛已经是万幸了。但对细胞来讲，没有甲醛类的有毒物质远远不够，还需要有能促进细胞生长和繁殖的因子。在这方面，就像格林童话中的糖果屋一样，材料学家希望细胞能住在这样一个糖果屋，能不断吃到有营养的糖果。

　　在组织工程中我们用什么样的细胞？干细胞是组织工程的首选，原因就在于我们人体有很多不同来源的干细胞，它能分化成我们所需要的不同的组织，比如说最常用的骨髓和脂肪干细胞。

　　很多肥胖病人要去抽脂，用另一种眼光看，可能这也不完全是坏事。这样可以提取出脂肪干细胞并存储起来，将来哪个器官出了问题，可以把细胞再拿来构建一个缺损的组织。这正是组织工程的一个优点。

　　有了细胞之后我们用陶瓷材料做了一个实验，把细胞养在陶瓷表面，看细胞到底喜欢不喜欢陶瓷，最终实验发现，陶瓷里溶出的微量元素对细胞有明显的影响。如果对比磷酸盐陶瓷和硅酸盐陶瓷，还发现硅酸盐陶瓷能诱导干细胞朝着需要的成骨细胞的方向分化。从基因的层面还能看到，它可以表达成骨细胞所特有的基因，也可以表达成骨细胞特有的活性酶，这说明细胞在硅酸盐陶瓷的作用下，它已经变成了能长骨组织的细胞。

　　材料学家已找到一个能给骨细胞提供活力的材料，同时也找到了能装修细胞房子的方法，比如说精细的电纺丝图案化结构控制，以及精细表面纳米结构的控制。但是仍有很多问题没解决，离我们的人体配件工厂还有一段遥远的路要走。

　　我们还不清楚细胞喜欢哪种类型的房子，我们也不知道在生物材料房子里的细胞能否造出我们需要的组织和器官的条件。所以要实现我们人体工厂的梦想，还需要科学家艰苦的努力，以及公众支持。