神奇的“器官芯片”：极高程度模拟人体测试（图文）

哈佛大学韦斯研究所的生物工程师们结合电子技术与生物科学技术，创造出了一种“器官芯片”，希望能够用微芯片复制人体器官的功能，从而减少甚至取代昂贵而耗时的动物实验，使医学实验变得更为简便。

动物实验在现代医学与生物学中占据了极为重要的位置，但是经费以及动物伦理也成了难以回避的问题。哈佛大学韦斯研究所的生物工程师们试图减少甚至取代昂贵而耗时的动物实验——他们结合电子技术与生物科学技术，创造出了一种“器官芯片”，希望能够用微芯片复制人体器官的功能，使医学实验变得更为简便。

“器官芯片”并不是那种利用硅电子芯片进行人体器官模拟的模拟器，而是含有真正人体活体细胞的生物芯片。到目前为止，哈佛的工程师们已经制造出了“肺芯片”、“心脏芯片”以及“肠芯片”。在最近研发出的“肠芯片”中，工程师将一层人体肠道细胞植入到一小张柔性多孔薄膜中，然后再将薄膜附着到芯片壁上，利用小型空气泵的冲击，薄膜就可以像真正的人体肠道蠕动一样伸展和收缩。这样制造出来的“肠道芯片”与真实的人体肠道极为接近，它的表面甚至能够允许细菌的生长。

在韦斯研究所制造的“肺芯片”中，他们在芯片顶部植入了人体肺部细胞，中部加入了一层薄膜，又在底部加入了人体毛细血管细胞。同样利用空气泵，将空气从芯片顶部通入，芯片底部的“人体血液”就会开始流动，同样会像真正的人肺一样伸缩。

这些芯片的制作与最近兴起的“芯片实验室”（LoC）技术息息相关，结合了微流体技术和硅芯片技术，大大加速了生物系统的分析过程。比如DNA的分析，利用这些技术，我们可以在短短几个小时中获得整个基因序列组信息，而在以前这个工作可能要花费数周甚至数月。

在药物测试方面，“器官芯片”的优点显而易见：他们可以极高程度地模拟真正的人体测试，同时透明的芯片能让观测变得非常容易。当研究人员需要测试一种药物时，只需要将药物所含化合物加入芯片，再观察芯片中的肠道细胞（或是心、肺细胞）如何反应即可；人们也可以利用“器官芯片”测试药物（或者食物）的吸收速度，或是益生菌对人体器官的作用。韦斯研究所的研究人员已经利用“肺芯片”进行过毒素及污染物测试。

更重要的是，这些“器官芯片”可以帮助人们更好地了解和处理疾病。很多种人类疾病是没有动物模型可供测试的，比如“克罗恩病”——这种病也称为“节段性肠炎”，多发于青年女性身上，但至今发病原因不明，也缺乏有效的治疗手段，最大的原因就是无法找到同样患有这种疾病的动物来进行药物测试，而利用“肠芯片”这个问题就迎刃而解了。同时，在医学界也经常遇到这样一种情况：某种药物通过了动物实验，却无法通过人体实验，因而无法真正投产上市，还造成了严重的成本浪费。如果药物研发机构直接使用“器官芯片”进行测试就可以省去动物实验步骤，节省大量的时间和金钱，还避免了许多动物保护方面的道德问题。

目前，韦斯研究所的“器官芯片”项目已经得到了美国国防部高级研究计划局（DARPA）的资助，他们正在进一步研发“脾脏芯片”。但“脾脏芯片”却不是为了药物测试而研发，美国国防部希望他们能够创造出一种“便携式脾脏”，来帮助士兵抵抗败血症。

这也让我们看到了“器官芯片”的另一个发展方向：如果我们能够完美模拟内脏的运作，那么是不是可以将这些芯片植入人体来增强甚至替代现有器官呢？又或者，未来的某一天我们可以将一大堆“器官芯片”组装到一起，创造出一个完整“人体芯片”？

但是也有人提出，“器官芯片”的使用可能会受到较大的限制，目前看来“器官芯片”只能植入单一类型的器官细胞，而人们利用动物进行药物测试的一大原因是可以观察到药物对整个生命系统的作用，各种器官之间的相互作用是其中非常重要的因素，而“器官芯片”能不能进行组合实验仍是个未知数。所以，这种新型实验芯片未来能否真正取代动物实验，还有待时间验证。




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麻省理工学院的神经工程师们最近造出了一款神奇的电池，该电池可以被植入大脑，通过大脑和脊髓循环的血糖获得充能。理论上该款电池足以为低能耗的计算芯片与传感器供能。理想中，它可以为残障人士体内的大脑解码装置供电，以实现假肢的智能化。

该电池的材料是硅和铂，采用了标准的半导体制作工艺。铂的作用是充当催化剂，就好比动物体内的酶。铂帮助电池从葡萄糖分子上吸走电子，就好比酶和氧气帮助动物细胞从葡萄糖上获得电子。电池功率可达数百微瓦（也就是不到1毫瓦），与计算器上的太阳能电池相比这是个不低的水平。这种功率的电池为复杂的计算芯片供能绰绰有余。不过也正因它的能量来自脑内的血糖，大脑获得的能量会因被剥夺而下降。科学家的解释是，人可能会更容易感到饥饿，但是不会察觉出任何的差别。

目前麻省理工大学的科学家们造出最大的电池有2.5英寸*2.5英寸（约64mm*64mm）大小，也有一些较小的型号。虽说电池越大性能越好，不过如果要在大脑内植入64mm*64mm的异物也许还是会有些太大了。大脑是人体内最重要的器官之一，电池的大小要经过谨慎考虑。

此款电池存在两个亮点，首先它完全是可以量产的，其次它采用的是有着几十年历史的标准半导体制作工艺，基本不存在技术门槛。血糖电池并不是最近才提出的新概念，之前就有血糖电池的存在，主要的用途是为起搏器供能。之前所研发出的体内辅助设备都有能源的问题，必须不定时更换电源。现在，有了这么一款血糖电池，设备就可以自给自足了。这次的血糖电池的突破点在于使用铂作为催化剂，而之前的血糖电池采用的是生物酶，这就需要定期更新电池内的生物酶，有不少的麻烦。铂的催化性能十分可靠，也不会引起免疫系统的排斥反应。而且把电池安装在脑脊液里也可以避开白细胞。