近年來(lái)，我國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，正在為人類(lèi)生命健康領(lǐng)域帶來(lái)全新的可能。未來(lái)，人體身上破損或者有病變的地方可以直接在原位打印修復(fù)嗎？活性的人體器官有沒(méi)有可能通過(guò)生物打印機(jī)直接3D打印出來(lái)？失明的患者可能通過(guò)植入納米材料或者生物芯片重見(jiàn)光明嗎？這些想象離真正實(shí)現(xiàn)還有多遠(yuǎn)？
生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)：重塑健康未來(lái)
2025年6月，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)找到哺乳動(dòng)物器官再生的“分子開(kāi)關(guān)”，首次讓受傷的成年小鼠重新長(zhǎng)出了耳廓軟骨和神經(jīng)組織。
8月，全球首個(gè)直徑超1厘米的活體心臟類(lèi)器官在上海實(shí)驗(yàn)室被成功培育，它來(lái)源于人源干細(xì)胞，具有天然活性和低排異性，為未來(lái)的器官移植帶來(lái)新希望。
近年來(lái)，生物醫(yī)學(xué)工程的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)。從人工關(guān)節(jié)、心臟支架，到智能假肢、3D打印器官，科學(xué)家們正用工程化手段改造和重建人體。
未來(lái)，生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)將成為人類(lèi)與疾病抗衡的一個(gè)關(guān)鍵力量，幫助我們重塑健康未來(lái)。
什么是類(lèi)器官？活性類(lèi)器官如何打印？
全球首個(gè)直徑超1厘米的活體心臟類(lèi)器官今年8月在上海培育成功。什么是類(lèi)器官？類(lèi)器官可以理解成一種“迷你簡(jiǎn)化版的器官模型”，是由干細(xì)胞在體外經(jīng)特定誘導(dǎo)培養(yǎng)而成的，能模擬真實(shí)器官結(jié)構(gòu)與功能的微小組織，可以用于疾病建模、藥物篩選及個(gè)性化治療等等?，F(xiàn)在，活性人體類(lèi)器官已經(jīng)可以通過(guò)生物打印機(jī)直接3D打印出來(lái)了。紙張打印需要墨水，普通的3D打印機(jī)需要特定的塑料、樹(shù)脂、金屬粉末等打印原料，打印活性類(lèi)器官的生物打印機(jī)要用什么來(lái)打印呢？跟隨記者到實(shí)驗(yàn)室里去看一看。
耳朵、骨骼、心臟、喉管……你可能很難想象，這些類(lèi)器官都是3D打印出來(lái)的，不是冰冷的樹(shù)脂模型，而是具有生命活性的3D類(lèi)器官。打印一個(gè)器官，往往需要幾十億甚至上百億個(gè)細(xì)胞。
走進(jìn)深圳清華大學(xué)研究院生物智能制造和活體打印研發(fā)中心，就像走入一個(gè)神秘的細(xì)胞生產(chǎn)工廠，用于生物打印的原材料——細(xì)胞，就是在這里生產(chǎn)出來(lái)的。傳統(tǒng)培養(yǎng)皿里，細(xì)胞貼壁生長(zhǎng)，就像擠在集體宿舍的大通鋪上，而細(xì)胞工廠里的細(xì)胞卻住進(jìn)了神奇的立體溫室。
總臺(tái)央視記者 張春玲：這個(gè)粉絲狀的物質(zhì)，就是用來(lái)打印類(lèi)器官的生物墨水的載體。這樣一個(gè)一米多長(zhǎng)的材料就含有數(shù)十億活體細(xì)胞，就好像一個(gè)超級(jí)“細(xì)胞工廠”。
各類(lèi)用于打印的功能細(xì)胞住進(jìn)這樣一個(gè)柔軟舒適且類(lèi)生物組織的生長(zhǎng)環(huán)境里，溫度濕度營(yíng)養(yǎng)按需供給，就能飛速且大量的擴(kuò)增。
深圳清華大學(xué)研究院研發(fā)中心主任 徐弢：我們要做人的組織器官，它首先需要超大量的細(xì)胞，不再說(shuō)我們幾千萬(wàn)個(gè)，我們要十幾億甚至上百億的細(xì)胞。
從干細(xì)胞分化成各類(lèi)功能細(xì)胞再進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，得到了大量的細(xì)胞。這些細(xì)胞同水凝膠、活性因子融合在一起，就變成了3D打印的生物墨水。得到特定的生物墨水，接下來(lái)，我們就要進(jìn)入打印環(huán)節(jié)了。徐教授團(tuán)隊(duì)花費(fèi)十年時(shí)間研發(fā)出高科技的生物3D打印機(jī)。
深圳清華大學(xué)研究院研發(fā)中心主任 徐弢：傳統(tǒng)的打印機(jī)它不涉及打活物質(zhì)，就是活細(xì)胞。所以我們?cè)谧鲞@種生物打印機(jī)的時(shí)候，就要充分考慮機(jī)械的損害、熱的損害，我們要盡量去避免。
實(shí)驗(yàn)室里正在打印的是一個(gè)類(lèi)器官耳朵。通過(guò)三維建模，打印機(jī)就可以自動(dòng)逐層打印出我們想用的類(lèi)器官了，打印精度可以達(dá)到100微米甚至更低。
深圳清華大學(xué)研究院中心平臺(tái)聯(lián)培醫(yī)生 陳小雷：之后我們會(huì)進(jìn)行進(jìn)一步的培養(yǎng)，有時(shí)候我們會(huì)增加特定的生長(zhǎng)因子，讓里面我們提取的細(xì)胞來(lái)定向進(jìn)行一個(gè)軟骨的分化，來(lái)達(dá)到我們不管是機(jī)械強(qiáng)度或者是塑形的外觀要求，有助于我們臨床上比如說(shuō)患者的耳朵的重塑。
科研人員介紹，經(jīng)過(guò)近三十年發(fā)展，器官打印從純科學(xué)概念或幻想正逐步走向現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)在，皮膚、軟骨、骨支架等簡(jiǎn)單組織和膀胱等小型類(lèi)器官已實(shí)現(xiàn)打印并用于臨床。雖然打印復(fù)雜器官仍然處在科研階段，但已經(jīng)為再生醫(yī)學(xué)和個(gè)性化治療提供了一個(gè)新的可能。
探秘安全又高效的“類(lèi)器官試藥”
生物打印機(jī)打印出的皮膚、神經(jīng)、心臟組織等類(lèi)器官，有一個(gè)非常高效的應(yīng)用就是為人類(lèi)試藥。具體怎么操作、有什么好處？繼續(xù)到實(shí)驗(yàn)室里一探究竟。
在深圳清華大學(xué)研究院的一間實(shí)驗(yàn)室里，記者看到一臺(tái)設(shè)備正在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，細(xì)長(zhǎng)的噴頭來(lái)回移動(dòng)，不到一分鐘，就將上百個(gè)直徑僅兩三根頭發(fā)絲粗細(xì)的小球，均勻地“擠”進(jìn)實(shí)驗(yàn)板孔里。它們是做什么用的呢？
深圳清華大學(xué)研究院研發(fā)中心副主任 陳建偉：這個(gè)是一個(gè)高通量的類(lèi)器官打印設(shè)備，我們把臨床的癌癥患者的組織和生物材料進(jìn)行混合，然后在體外高效地把癌癥患者的腫瘤器官模擬出來(lái)。我們可以把它分到不同的試藥腔室去。
傳統(tǒng)癌癥治療方案篩選是要在患者身上“盲試”，而“類(lèi)器官試藥”可以先讓“迷你腫瘤模型”替患者進(jìn)行嘗試。這里的每個(gè)小格子，都住著一個(gè)“類(lèi)器官試藥員”，一次就可以同時(shí)測(cè)試多種藥物和劑量，篩選出最有效的治療方案，目前這樣的細(xì)胞試藥已經(jīng)走入臨床。
而在另一間實(shí)驗(yàn)室，記者體驗(yàn)了一個(gè)全新的原位打印技術(shù)，模擬在受傷的皮膚組織上直接打印出一個(gè)新皮膚。這一技術(shù)還可以深入到人體內(nèi)部，用微創(chuàng)的方式進(jìn)行“原位打印”，就像一個(gè)高級(jí)裁縫，在身體發(fā)生損壞的地方修修補(bǔ)補(bǔ)。
深圳清華大學(xué)研究院研發(fā)中心主任 徐弢：我們把帶著活細(xì)胞的生物墨水在心臟梗死的區(qū)域進(jìn)行打印，形成了一個(gè)叫心臟補(bǔ)片，這樣的心臟補(bǔ)片就可以修復(fù)我們壞死的心肌組織。
細(xì)胞打印、器官打印、原位打印，這些新的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)正在打開(kāi)未來(lái)醫(yī)學(xué)的全新大門(mén)。現(xiàn)在，科學(xué)家們還在不斷提升打印精度，設(shè)計(jì)構(gòu)建復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和血管網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在嘗試解決打印器官的長(zhǎng)期功能維持與穩(wěn)定性等問(wèn)題，這些挑戰(zhàn)的解決，正在推動(dòng)人工制造的“器官”從“形態(tài)模擬”真正邁向的“生命功能復(fù)現(xiàn)”。
跨學(xué)科交叉聯(lián)動(dòng) 為失明動(dòng)物裝上“超能眼”
生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)的進(jìn)步給人類(lèi)健康帶來(lái)無(wú)限遐想。而不同學(xué)科科研團(tuán)隊(duì)的跨界協(xié)作也正帶來(lái)全新的發(fā)現(xiàn)。最近，來(lái)自上海三個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員就通過(guò)跨界合作，開(kāi)發(fā)出了全球首款超寬光譜視覺(jué)假體，它不僅可以讓失明的動(dòng)物恢復(fù)對(duì)可見(jiàn)光的感知能力，甚至還能讓它像電影中的超能英雄一樣“看見(jiàn)紅外線”。
植入視覺(jué)假體的小鼠在關(guān)閉可見(jiàn)光后，能夠辨別出呈現(xiàn)不同形狀的紅外光提示信號(hào)，具備了紅外感光能力，這個(gè)科幻場(chǎng)景正在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)上演。而讓這一幕成真的，就是顯微鏡上放置的這個(gè)小小的設(shè)備。在顯微鏡的放大下，我們可以看到在這個(gè)只有指甲蓋二十分之一大小的超薄貼片里面，布滿(mǎn)了密密麻麻像“頭發(fā)絲”一樣的納米線。它可以不依賴(lài)電池，不需要外部攝像頭，植入眼底，就能激活殘存神經(jīng)細(xì)胞，讓視網(wǎng)膜變性患者能夠重新感知可見(jiàn)光，更可以看見(jiàn)“人類(lèi)未看見(jiàn)過(guò)的光”。
中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 胡偉達(dá)：人的眼睛里面的視網(wǎng)膜的感光細(xì)胞，就像我們站著的短頭發(fā)一樣，它是密密排布的。每一個(gè)感光細(xì)胞都連接著1-2根神經(jīng)細(xì)胞，我們就想象能不能把我們長(zhǎng)出來(lái)這種一片的密集的納米線，直接替換眼球里面的感光細(xì)胞，這樣就可以快速形成一個(gè)類(lèi)似于人的眼球功能的這種感光的一個(gè)細(xì)胞。
納米材料設(shè)計(jì)完成了，但如何把這個(gè)材料做成一個(gè)精密的器件，并提高它的光電轉(zhuǎn)換效率，就變成了工程技術(shù)難題。團(tuán)隊(duì)把研發(fā)的接力棒，傳遞到了復(fù)旦大學(xué)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。
復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 王水源：一開(kāi)始我們的光電流密度可能只有0.1，甚至是0.01這樣的安培每平方厘米這樣的一個(gè)量級(jí)，最后的話我們可以把它通過(guò)我們一系列的優(yōu)化，把它做到了30安每平方厘米的這么一個(gè)效果，達(dá)到了目前世界上所報(bào)道的已知體系中的最高水平。
作為一個(gè)植入眼球內(nèi)的仿生器件，它還要通過(guò)生物實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果并不斷迭代。于是，復(fù)旦大學(xué)腦功能與腦疾病全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室又作為重要參與者發(fā)揮了作用，通過(guò)盲鼠模型的測(cè)試，尋找最佳的效果和安全解決方案。
復(fù)旦大學(xué)腦功能與腦疾病全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 姜承勇：這個(gè)材料從我們最開(kāi)始做的第一個(gè)版本，到我們投稿之前最后版本改了大概10多個(gè)版本，我們需要測(cè)試這個(gè)材料。所以我們?cè)俜答伣o生長(zhǎng)做材料合成的、材料生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)室，他們會(huì)對(duì)材料生長(zhǎng)的條件進(jìn)行控制優(yōu)化。
7年的不斷磨合探索，這個(gè)聯(lián)合了三個(gè)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)打造出來(lái)的科研成果，發(fā)表在了國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志上，打破學(xué)科界限、跨實(shí)驗(yàn)室的合作，成了生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新合作范式。現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)的研發(fā)還在繼續(xù)，這種前端是器件，后端是神經(jīng)元，硅基與碳基的融合，也有望為腦機(jī)接口、器官修復(fù)等技術(shù)的發(fā)展提供更多新的思路和打開(kāi)方式。
戰(zhàn)略布局 推動(dòng)生命科學(xué)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展
去年兩會(huì)，政府工作報(bào)告中提出制定未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，開(kāi)辟量子技術(shù)、生命科學(xué)等新賽道。同年，工信部、科技部等七部門(mén)發(fā)布的關(guān)于推動(dòng)未來(lái)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)中，也在“未來(lái)健康”方向提出加快細(xì)胞和基因技術(shù)等前沿技術(shù)產(chǎn)業(yè)化。生命科學(xué)不僅被納入國(guó)家戰(zhàn)略視野，不少地方也在積極布局推動(dòng)。
上海率先布局類(lèi)器官創(chuàng)新生態(tài)圈。自2021年起，圍繞輔助藥物篩選、藥效試驗(yàn)和個(gè)性化醫(yī)療等領(lǐng)域布局支持了一批類(lèi)器官和器官芯片等創(chuàng)新項(xiàng)目。
湖北將類(lèi)器官等列為生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)方向，目標(biāo)到2027年，生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)2500億。
深圳在今年頒發(fā)的全鏈條支持醫(yī)藥和醫(yī)療器械發(fā)展措施中，也將細(xì)胞治療、基因治療、生物制造等前沿方向列為重點(diǎn)資助對(duì)象。
