人造器官在生物材料醫學上是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料;或者說是具有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。人造器官主要有三種:機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。
人體器官病損后,如腎、肝、心臟衰竭等,通過藥物、手術等治療方式無法達到治療效果時,器官移植成為唯一治療手段。但全球可提供移植的器官數量遠低于需要器官移植的患者數量,大多數患者無法得到適配器官,人造器官發展的重要性由此顯現。
在上世紀40年代隨著血液透析儀的發明,人造器官的大門被悄然打開,此后幾十年,心、肝、肺等重要但是結構相對簡單的器官出現了人造替代品。不過受限于技術、生物學與醫學等學科知識儲備的不足,這些人造器官的性能并不能和自然器官相媲美,對于病人而言,只能是維持生命一種不得已的替代性選擇而已。
根據中研普華產業研究院發布的《2020-2025年人造器官行業市場深度分析及發展策略研究報告》顯示:
人造器官在生物材料醫學上是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料;或者說是具有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。人造器官主要有三種:機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。
隨著人造器官技術日益成熟,其市場需求量將持續快速攀升,行業發展前景廣闊。預計到2024年,全球人造器官市場規模將達到51.2億美元以上。人造器官行業進入的資金、研發、技術、人才壁壘高,在發展初期,由于技術不成熟,研發失敗風險大,實力稍弱企業難以支撐,在全球范圍內,主要是醫藥行業巨頭參與,如雅培、美敦力等。
人造器官的出現不僅可以解決病人等待器官的時間問題,還解決了更為棘手的器官非法交易的法律問題與倫理困境,同時,也有助于促進醫學實踐的發展。在醫學教學上通過將器官數據掃描到計算機生成數據模型后,利用3D打印制成的醫學解剖器官模型和自然器官乃至顏色都可以做到以假亂真,甚至真實到可以流血,對于醫學生實踐練習頗有助益。
伴隨著老齡化社會的加速到來,人造器官已經成為治療器官衰竭不可或缺的工具,許多人造器官已取得了令人難以置信的進步。但是對于人造器官發展的關鍵瓶頸不是移植排斥,而是相容性。
目前,科學家已經研發出多種人造器官。心臟:通過輸入個體計算機或超聲波掃描獲得的二維數據,使打印機能夠逐層建立復制樣本層。科學家已利用3D打印技術打印了第一份真實人類的心臟。該心臟樣本是患有不尋常并發癥患者的心臟的精確解剖副本。英國Bristol機器人實驗室的科學家們曾宣布,他們成功地使用3D打印機制造了第一臺可驅人工肌肉的機器“心臟”。這臺機器心臟搭載微生物燃料電池(MFCs),可從人體尿液中獲取能量。
相比逐漸有藥可醫的癌癥,器官衰老卻是現在技術難以邁過的坎,幾乎是不可避免的生命終點。人體衰老是必然過程,生命的結尾終會遇到器官衰竭的狀況;另外,突發意外疾病、嚴重的事故,也會導致器官損壞而危及生命。
國際器官捐獻與移植注冊數據顯示,2020年底仍有超過34.54萬名患者在等待器官移植,2020年內至少有23,103名腎臟移植等候名單內患者因未等到器官移植而去世。全球有逾266萬名接受透析治療的終末期腎病(ESRD)患者,盡管腎移植是最理想的治療方式,但目前僅有5.65%ESRD患者能獲得器官移植的機會。
目前最佳療法就是器官移植,但捐贈器官供體相當短缺,待救助的生命數量遠遠超過被捐贈的器官,而且器官移植有排斥反應而引起嚴重的藥物副作用,使這種醫療技術難以解決社會難題。在這樣的背景下,人造器官成為熱門且尖端的科研焦點。
從實驗室到商業化的道路中,當前科研進展到了什么程度,距離終極目標還有多遠呢?這就要從人造器官的幾種實現方式說起。第一種路徑是機械性人造器官,用無生物活性的高分子材料或者合金等材料仿造的器官,以電池為動力,目前日本科學家已利用納米技術實現人造皮膚和人造血管。第二種路徑是半機械半生物性人造器官,是指將電子技術與生物技術結合起來制造的器官,目前已經可以實現人造肝臟。人造肝臟將人體活組織、人造組織、芯片和微型馬達結合,已經卓有成效,臨床上已有八位肝功能衰竭的患者在德國接受了人造肝臟的移植。還有一種路徑是異體人造器官,已經在豬、老鼠、狗等身上培育成功。
目前人造器官的物理功能可以部分或完全替代自然器官,但是在多數情況下,其化學和生物功能的實現與表達還不理想,可見人造器官技術未來還有很大的提升空間,隨著老齡化社會對器官需求的旺盛,人造器官的時代正在加速到來,那時病人不僅可以延長生命,還可以更舒適地生活。
我國有些高校的生命科學院也開始對人造器官進行相關研究,我國人造器官的研究在理念方面并不遜于發達國家,但是在制造方面與發達國家尚有較大的差距。這主要是由于材料技術以及制造精度所帶來的質量不可靠問題。所以我國不僅需要在人造器官的基礎研究與應用研究領域繼續加大投入,而且在制造方面更需要進行有針對性的關鍵技術突破。
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