人工器官
關注創建者：匿名 創建時間：2018-07-03
人工器官的實例教程
但是直接通過人體進行研究，無疑是充滿困難的，微流控芯片/器官芯片（Organ-On-Chip）為這類醫學研究提供了一種有效方式。這種在芯片上制造人體微型器官的方法，在疾病研究、開發患者特異性治療方法以及替代動物實驗方面具有應用潛力。
奧地利維也納理工大學（Technische Universit?t Wien，TU Wien）材料科學與技術研究所的科研團隊，對人體胎盤機制進行了研究，采用的正是器官芯片的方法。在制造芯片時，TU Wien團隊使用了雙光子聚合微納米3D打印技術。
3D打印制造芯片中的人工胎盤微結構
許多研究表明，母親的糖尿病、高血壓可能對未出生的胎兒產生影響，這種現象是在多參數相互作用下發生的，但如何研究這其中的復雜原因是目前的難點。TU Wien的研究人員在器官芯片復制出體外的微型“人工胎盤”，并對胎盤的機制進行研究。
研究和分析胎盤用的器官芯片，圖片來源：TU Wien
TU Wien 研究團隊設計的器官芯片由兩個區域組成 - 一個代表胎兒，另一個代表母親。研究人員使用高分辨率的雙光子聚合3D打印技術在它們之間制造出分區，即人造胎盤膜。通過增材制造的方式，材料逐漸形成3D結構，分辨率在微米范圍內。
生物相容性水凝膠材料制造的3D打印微結構，圖片來源：TU Wien
在人工胎盤的研究中，科研人員使用打印材料是一種具有良好生物相容性的水凝膠，模仿天然胎盤制造出小而彎曲的絨毛表面，然后將胎盤細胞植入到這些結構中，形成一個非常類似于人體天然胎盤的屏障。
TU Wien團隊多年來一直在科研中應用這種高分辨率3D打印技術，已取得了一系列的成果。
展開 例如：具有分離透析機能的人工腎用過濾膜、人工肺用氣體交換膜，以及人造血液用吸脫氣體的物質等，都要求有各自特殊的分離透過機能。
在大多數情況下，現有高分子材料的表面化學組成與結構很難滿足上述要求，通常要采用表面改性處理，如接枝共聚，以改進其抗凝血性等性能。此外，醫用高分子材料還需要優異的加工成型性，易加工成需要的復雜形狀的。
發展概述
1949年，美國首先發表了醫用高分子的展望性論文，第一次介紹了利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為人的頭蓋骨、關節和股骨，利用聚酰胺纖維作為手術縫合線的臨床應用情況。20世紀50年代，有機硅聚合物被用于醫學領域，使人工器官的應用范圍大大擴大，包括器官替代和整容等許多方面。在20世紀50年代，一大批人工器官試用于臨床，如人工尿道（1950年）、人工血管（1951年）、人工食道（1951年）、人工心臟瓣膜（1952年）、人工心肺（1953年）、人工心肺（1953年）、人工關節（1954年）及人工肝（1958年）等。20世紀60年代，醫用高分子材料開始進入一個嶄新的發展時期。
展開 器官移植是治療部分器官衰竭患者的手段，僅在中國，臟器衰竭患者的器官移植需求量就達到了年均30萬例。公開數據顯示，2015年，中國成功完成肝臟移植2000多例、腎移植5367例，但2015年肝臟移植需求者新增4000多人，腎臟移植需求者新增了1萬多人，供需差距進一步擴大，僅肝臟移植就有500多人同時在同一家醫院等待，腎臟移植有2000多人在同一家醫院等待。我國器官捐獻率不到百萬分之三，而一些國家已經達到百萬分之四十。
生物3D打印技術研究的重要目標就是通過增材制造技術和再生醫學技術實現組織、器官的人工培養，最終解決移植器官供體短缺的問題。然而，生物3D打印器官技術仍存在很多需要解決的難題，主要包括：材料、血管形成與法規。這三大因素是目前阻礙3D打印人工器官成為一種現實的臨床治療技術的主要障礙。
實現器官“定制”所面臨的難題
從中國器官移植供需的數據中可以看到，每年等待器官移植的患者數量都多于器官捐贈的數量，所以必然有一部分患者無法及時接受器官移植，他們可能因器官衰竭而死亡。即使是那些接受了器官移植的患者，也面臨著一生接受免疫抑制治療和相關醫源性疾病的困擾。
當器官供需存在差異時，醫療界就會思考新的技術和商業模式來滿足需求，通過3D打印與再生醫學技術制造人造器官的思路也正是在這種情況下產生的。
器官3D打印流程，圖片來源：european Pharmaceutical manufacturer。
從事3D打印組織、器官研究的人員或機構不僅需要具備增材制造技術，生命科學技術，還需要建立進行人工組織、器官制造過程的數字化質量管理體系，還需要解決來自材料、血管化和法規的挑戰。
展開 生物醫學：優化醫療設備、人工器官或生物分子的設計，以提高醫療治療效果。
電子設備：優化電路板、散熱器或電子元件的設計，以提高性能和可靠性。
其他領域：用于提高各種結構的性能，如橋梁、船舶、風力發電機等。
例如：
工程結構優化，用于優化工程結構的設計，以降低成本、提高性能或減輕重量。例如，優化飛機機翼、汽車車身或建筑結構。
材料設計，通過優化材料的微觀結構，以獲得具有特定性能的新材料。例如，尋找高強度、輕量化的材料，或具有特殊電子性能的材料。
結構優化仿真計算模擬方面：
§ 結構性能：研究結構在各種力學作用下的性能，如強度、剛度、穩定性等。
§ 結構成本：研究結構的制造成本、材料成本等。
§ 結構可制造性：研究結構的制造難度、加工難度等。
結構優化仿真中常用的算法或求解器包括：
§ 單目標優化：針對單一目標進行優化，如最大強度、最小重量等。
§ 多目標優化：針對多個目標進行優化，如強度、剛度、成本等。
§ 遺傳算法：基于生物進化的算法，用于求解非線性優化問題。
§ 模擬退火：基于物理現象的算法，用于求解非線性優化問題。
§ 粒子群優化：基于群體智能的算法，用于求解非線性優化問題。
以下是結構優化仿真中常用的一些計算方法：
§ 靜態優化：針對結構在靜力作用下的性能進行優化。
§ 動力優化：針對結構在動力作用下的性能進行優化。
§ 非線性優化：針對結構在非線性條件下的性能進行優化。
§ 多尺度優化：針對結構在不同尺度下的性能進行優化。
靜態優化是結構優化仿真的最常見的類型，用于針對結構在靜力作用下的性能進行優化，如結構的強度、剛度等。
動力優化用于針對結構在動力作用下的性能進行優化，如結構的振動、沖擊等。
展開 【成果簡介】
近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但傳統材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調控手段面臨安全性挑戰，由此極大限制了傳統生物材料醫學應用。如何成功實現傳統生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。
為解決該挑戰，杜學敏研究團隊基于前期在材料可控形變設計經驗（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創新性地仿生自然中觸之形變植物的構造原理，通過表面定向排列微陣列結構與自上而下的梯度交聯設計結合，成功實現鈣離子交聯的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發現三維螺旋形會逐漸變形為二維平面結構，最終結構進一步反轉形成微通道朝外的反向三維螺旋結構。當反轉形變后的三維螺旋結構重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中時，樣品會恢復到微通道朝內的初始三維螺旋結構。非常有意思的是，將三維形變水凝膠置于NaCl與CaCl2的混合溶液中，通過調節溶液中Na+/Ca2+濃度比例，還可成功“凍結”海藻酸鈉水凝膠三維動態形變過程中的瞬態形狀。而且，通過耦合多種不同取向微陣列結構，成功實現了類似DNA分子的雙螺旋結構，及自然界中各種復雜花的三維形狀，還成功模擬了仿生花在離子溶液中動態綻放與閉合。
【圖文導讀】
圖1.
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人工器官的最新內容
生物醫學：優化醫療設備、人工器官或生物分子的設計，以提高醫療治療效果。
電子設備：優化電路板、散熱器或電子元件的設計，以提高性能和可靠性。
其他領域：用于提高各種結構的性能，如橋梁、船舶、風力發電機等。
例如：
工程結構優化，用于優化工程結構的設計，以降低成本、提高性能或減輕重量。例如，優化飛機機翼、汽車車身或建筑結構。
投稿主題
計算生物學算法 / 人工關節和器官 / 生物電子學 / 生物物理學 / 計算醫學……
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近年來，可控三維形變高分子材料在生物電子、醫用機器人、組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但具有良好生物相容特性的傳統材料要么欠缺形變能力，要么實現可控形變的方法極其復雜，極大限制這類生物材料的實際應用。如何通過簡單易行且具普適性的策略實現傳統生物材料的可控三維形變，仍是這類材料在生物醫學醫用領域面臨的關鍵挑戰。
該類材料主要用于人體軟、硬組織修復和制造人工器官、人造血管、接觸鏡和黏結劑等。
【成果簡介】
近年來，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫學領域應用廣泛，但傳統材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調控手段面臨安全性挑戰，由此極大限制了傳統生物材料醫學應用。如何成功實現傳統生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調控形變，仍是材料生物學應用面臨的一大難題。
生物3D打印技術，在人工組織、器官培養過程中可以構建組織器官的三維形狀，并讓細胞組織按照預先設定好的形狀生長，以此來促進細胞組織的健康發育，并用其來替換人體病變組織。
生物3D打印技術研究的重要目標就是通過增材制造技術和再生醫學技術實現組織、器官的人工培養，最終解決移植器官供體短缺的問題。然而，生物3D打印器官技術仍存在很多需要解決的難題，主要包括：材料、血管形成與法規。這三大因素是目前阻礙3D打印人工器官成為一種現實的臨床治療技術的主要障礙。
他通過3D打印人工心臟泵原型展示了他的方法，稱為“嵌入式磁體打印”，并獲得了美國人工內臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。
△原型的橫截面，深灰色的磁性元件清晰可見
Petersdorff-Campen說：“我的目標不是制造出良好的心臟泵，而是要展示如何在一步中將其制造出來。”
Petersdorff-Campen的嵌入式磁鐵印刷工藝還獲得了美國人工內臟器官協會（ASAIO）的原型設計一等獎。盡管有實用價值，但由于各種批準程序，嵌入式磁鐵印刷已經面臨一些批評，因為其他人認為它不適合生產醫療器械。
“在材料和加工方面還有很多需要改進的地方; Petersdorff-Campen表示，我不希望植入這樣的設備。
該技術不但推進了3D打印醫療器械、人工組織器官的臨床轉化進程，也為新藥篩選提供了全新的解決方案。
