未來可挽救生命或改善生命質(zhì)量的新技術(shù)展望
毫無疑問，科學(xué)注定將改善并豐富人類的生命體驗。微機電系統(tǒng)(MEMS)、微流體技術(shù)、納米技術(shù)、實驗室級芯片(lab-on-a-chip)器件、數(shù)字信號處理器(DSP)、可植入基因芯片和機器人等所有這些技術(shù)都將被整合在一起以捍衛(wèi)我們的健康。它促成了一個技術(shù)新紀(jì)元的到來，其中，電子工程師、化學(xué)家和化學(xué)工程師、生物學(xué)家和生物工程師、醫(yī)生、倫理學(xué)家、物理學(xué)家和機械工程師攜手并肩，共襄改善生命質(zhì)量這一壯舉。
整合了活體細(xì)胞、聚合體和芯片的生物復(fù)合器官是其中特別熱的一個領(lǐng)域。這些器官的構(gòu)造體取自無機材料，而活體細(xì)胞取自尸體、動物或人體組織，這些活體細(xì)胞能最好地完成諸如生化功能及血液過濾等復(fù)雜工作。這些裝置能減緩疾病癥狀、延長生命。最終目標(biāo)是將這些器件植入體內(nèi)以發(fā)揮最大效用。完整的器官移植將是下一步工作。
密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校的研究人員最近示范了一項研究進展?D?D有一天，該技術(shù)將使噴墨打印人體器官成為現(xiàn)實。打印器官以器官受贈者的細(xì)胞為藍本以確保與器官捐贈者的生物一致性，通過將打印層和構(gòu)造層交替層疊的方式構(gòu)造出打印器官。
腎輔助設(shè)備(RAD)就是這樣一種生物復(fù)合器官，已證明該設(shè)備具有改善傳統(tǒng)腎透析設(shè)備的作用(圖1)。研究人員還開發(fā)了一種肝生物復(fù)合器官(圖2)。德雷珀實驗室(即脫胎于原MIT儀器實驗室的Charles Stark Draper Laboratories)的科學(xué)家正在進行一種微流體器件的研究，該器件1mm厚、25cm2大小，研究的最終目的是在一個芯片上生成一個完整肝。另外，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員正與J.P. Sercel Associates公司一道進行細(xì)胞保有絞刑架的研究，該絞刑架由激光加工的聚合體構(gòu)成(由聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺合成)。這些絞刑架有極細(xì)的通道和孔隙，研究人員利用它們也許有一天能在一個芯片上制成一個肝臟。
在匹茲堡大學(xué)的McGowan再生醫(yī)學(xué)院，正在開發(fā)一個生物合成肺以模擬人體正常肺的呼吸功能。該MEMS裝置交織著含有空氣或血液的微通道。這些微通道由細(xì)隔膜分開，細(xì)隔膜模擬正常肺的肺泡壁功能。
當(dāng)然，作為最重要器官的心臟也不會被遺忘。例如，有些生物合成器官能起著繃帶的功能，它們能修復(fù)不健康人體心臟病變的部分。在MIT，研究人員計劃開始用于心臟組織構(gòu)造的動物實驗，他們將其稱為“收縮修補”，以替代受損的心臟組織。對完全可植入心臟的開發(fā)研究仍在繼續(xù)。
眼和耳也將從中受益
人造眼和人造耳是最成功合成人體器官技術(shù)成就中的兩項；人造眼為視力殘障者和盲人帶來光明，人造耳為聽力受損者和聾人送去福音。實際上，已經(jīng)進行了仿生眼和視網(wǎng)膜及耳蝸植入應(yīng)用。
其中，一個雄心勃勃的項目有南加州大學(xué)的Doheny視網(wǎng)膜學(xué)院、Keck醫(yī)學(xué)院、Second Sight公司、德州儀器和美國國家實驗室的參與。這些組織正在試圖制造一個人造視網(wǎng)膜，該項目顯示出巨大前景。該研究隸屬美國能源部的人造視網(wǎng)膜計劃，由美國能源部資助。在一個5mm2的視網(wǎng)膜平臺上，裝入一個有60個電極的視網(wǎng)膜(圖3)。據(jù)信，它被認(rèn)為是在單位面積內(nèi)，有最高信道電極密度的人造視網(wǎng)膜。
美國空軍和VSX 公司部分資助了另一個雄心勃勃的視網(wǎng)膜修復(fù)項目，他們正在開發(fā)一種無需利用信號恢復(fù)部分視力、直接模擬眼睛內(nèi)部視網(wǎng)膜運動的方法以為視力殘障者帶來光明。這一3 mm的芯片使佩戴者的視力恢復(fù)10%。猶他大學(xué)與橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Labs)及田納西州大學(xué)健康科學(xué)中心一道努力，同樣在向失明發(fā)起挑戰(zhàn)。MIT及日本和德國的一些大學(xué)也在從事類似研究。
仿生耳的研究可用一句話來概括：壯觀。密歇根大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出首例實體大小的MEMS可植入機械耳蝸。植入耳蝸是通過將不同頻率的信號發(fā)射給植入在耳蝸螺旋體(cochleal spiral)內(nèi)的電極工作的。聽覺神經(jīng)然后將這些信號傳送至大腦。為機械耳蝸增加的傳感器陣列有助于驅(qū)動植入耳蝸的電極。
為解決聽力障礙，NVE公司開發(fā)出巨型磁阻傳感器(GMR)，這些傳感器無需人工干預(yù)能自動調(diào)節(jié)助聽器的音量。這些電子自旋(spintronic)磁阻傳感器由Starkey Laboratories制造，他們利用電子的旋轉(zhuǎn)而不是充電來存儲信息。
喬治亞州技術(shù)研究學(xué)院向Peacock Communications公司轉(zhuǎn)讓了可佩帶配文技術(shù)，Peacock Communications提供一種其稱為COMMplements的軟件系統(tǒng)，它為失聰者送區(qū)福音。該軟件借助IEEE 802.11b無線傳輸能力，使失去聽力的移動用戶能方便訪問因特網(wǎng)，通過PDA為體育運動配上文字說明。
更好的疾病監(jiān)護、診斷和早期預(yù)警
將疾病危害減至最小的途徑之一是采用更正確、有效的無創(chuàng)監(jiān)護、診斷和早期預(yù)警幫助。與以往相比，通過無線RF成象，可吞服成象藥片為腸胃學(xué)家提供了更準(zhǔn)確的小腸圖象(圖4)。
加拿大卡爾加里大學(xué)的研究人員采用MEMS技術(shù)制造了一只電子蚊子原型，稱作“e-mosquito，”這只電子蚊子模擬真體蚊子的吸血過程(圖5)。其目的是提供受控的連續(xù)刺激及編排插入人體皮膚內(nèi)的微細(xì)針孔以抽取極少量的血液供以后做進一步分析。該設(shè)備為無線控制、無痛感、實時、半創(chuàng)血液分析和生理細(xì)胞核識別提供了一個全面和實用的解決方案。
正采用新DSP器件以進行更好的無創(chuàng)診斷。這里以加拿大Canamet公司的Piesometer MK-1便攜式血壓監(jiān)測儀為例。它采用Atmel的Diopsis雙浮點超長指令字(VLIW)DSP及一片ARM微處理器，從而克服了傳統(tǒng)聽診法具有的限制。聽診法采用水銀血壓計及自動血壓設(shè)備中采用的振動測波(oscillometric)技術(shù)。Canamet的儀器支持自調(diào)節(jié)信號處理方法，其中包括：自調(diào)節(jié)干擾消除、帶通濾波和峰值識別算法。
可植入實驗室級器件，有時又稱作生物芯片，它在無創(chuàng)監(jiān)測、診斷和控制方面最終將起著關(guān)鍵作用。許多這類器件是采用MEMS技術(shù)設(shè)計的。Affymetrix是最早推出這種生物芯片的公司之一，它早在1994年就推出了GeneChip(基因芯片)。安捷倫科技、Biosite、Cepheid、CombiMatrix、Nanogen和STMicroelectronics等公司此后相繼推出此類復(fù)雜平臺。這些生物芯片形成了一個巨大的分子電子學(xué)市場，在未來幾年內(nèi)該市場將有長足發(fā)展。
生物芯片的發(fā)展催生了一門新學(xué)科?D?D生物信息學(xué)，需要該技術(shù)以處理來自實驗室級芯片和DNA芯片輸出的大量數(shù)據(jù)。處理這樣的信息需要融合計算機科學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和算法研究。例如，Affymetrix的GeneChip(圖6)就能說明這一狀況?D?D象這樣的一塊實驗室級芯片有大量的數(shù)據(jù)需要處理和分析。必須從這些巨量數(shù)據(jù)中析取出有用信息的要求對電子產(chǎn)業(yè)提出挑戰(zhàn)，也正是這些挑戰(zhàn)映射出信息技術(shù)發(fā)展中面臨的機遇。
在可植入領(lǐng)域之外，圣地亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的科學(xué)家在忙于一個5磅重手持便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備的跟蹤研究，該設(shè)備能立即檢測出心臟和齒齦部位的病變(圖7)。
新技術(shù)同樣為殘疾人帶來福音
在修補和矯正器械方面同樣取得長足進展以改善殘疾人的生活質(zhì)量。機器人手臂幫助上肢殘缺者重新獲得心手和諧；機器人假腿幫助下肢不全者走上新的生活之路；心臟植入術(shù)使癱瘓的人僅使用其心臟和該植入裝置就能操控人工手臂。
所有這些將為我們帶來怎樣的美好前景？微加工技術(shù)、納米技術(shù)、機器人和生物工程這些技術(shù)將協(xié)同合作以更迅速準(zhǔn)確地診斷癌癥腫瘤。最重要的是，采用這些技術(shù)能在這些腫瘤引發(fā)大的病變前，將其徹底摧毀。華盛頓大學(xué)的一群研究人員正在為這一目標(biāo)而努力�；谒麄兊难芯砍晒�，將能通過為病人注射自組納米粒子的手段治愈癌癥，這些粒子能發(fā)現(xiàn)早期癌變并能用藥物將這些小腫瘤包裹并摧毀。
整合了活體細(xì)胞、聚合體和芯片的生物復(fù)合器官是其中特別熱的一個領(lǐng)域。這些器官的構(gòu)造體取自無機材料，而活體細(xì)胞取自尸體、動物或人體組織，這些活體細(xì)胞能最好地完成諸如生化功能及血液過濾等復(fù)雜工作。這些裝置能減緩疾病癥狀、延長生命。最終目標(biāo)是將這些器件植入體內(nèi)以發(fā)揮最大效用。完整的器官移植將是下一步工作。
密蘇里大學(xué)哥倫比亞分校的研究人員最近示范了一項研究進展?D?D有一天，該技術(shù)將使噴墨打印人體器官成為現(xiàn)實。打印器官以器官受贈者的細(xì)胞為藍本以確保與器官捐贈者的生物一致性，通過將打印層和構(gòu)造層交替層疊的方式構(gòu)造出打印器官。
腎輔助設(shè)備(RAD)就是這樣一種生物復(fù)合器官，已證明該設(shè)備具有改善傳統(tǒng)腎透析設(shè)備的作用(圖1)。研究人員還開發(fā)了一種肝生物復(fù)合器官(圖2)。德雷珀實驗室(即脫胎于原MIT儀器實驗室的Charles Stark Draper Laboratories)的科學(xué)家正在進行一種微流體器件的研究，該器件1mm厚、25cm2大小，研究的最終目的是在一個芯片上生成一個完整肝。另外，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員正與J.P. Sercel Associates公司一道進行細(xì)胞保有絞刑架的研究，該絞刑架由激光加工的聚合體構(gòu)成(由聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺合成)。這些絞刑架有極細(xì)的通道和孔隙，研究人員利用它們也許有一天能在一個芯片上制成一個肝臟。
在匹茲堡大學(xué)的McGowan再生醫(yī)學(xué)院，正在開發(fā)一個生物合成肺以模擬人體正常肺的呼吸功能。該MEMS裝置交織著含有空氣或血液的微通道。這些微通道由細(xì)隔膜分開，細(xì)隔膜模擬正常肺的肺泡壁功能。
當(dāng)然，作為最重要器官的心臟也不會被遺忘。例如，有些生物合成器官能起著繃帶的功能，它們能修復(fù)不健康人體心臟病變的部分。在MIT，研究人員計劃開始用于心臟組織構(gòu)造的動物實驗，他們將其稱為“收縮修補”，以替代受損的心臟組織。對完全可植入心臟的開發(fā)研究仍在繼續(xù)。
眼和耳也將從中受益
人造眼和人造耳是最成功合成人體器官技術(shù)成就中的兩項；人造眼為視力殘障者和盲人帶來光明，人造耳為聽力受損者和聾人送去福音。實際上，已經(jīng)進行了仿生眼和視網(wǎng)膜及耳蝸植入應(yīng)用。
其中，一個雄心勃勃的項目有南加州大學(xué)的Doheny視網(wǎng)膜學(xué)院、Keck醫(yī)學(xué)院、Second Sight公司、德州儀器和美國國家實驗室的參與。這些組織正在試圖制造一個人造視網(wǎng)膜，該項目顯示出巨大前景。該研究隸屬美國能源部的人造視網(wǎng)膜計劃，由美國能源部資助。在一個5mm2的視網(wǎng)膜平臺上，裝入一個有60個電極的視網(wǎng)膜(圖3)。據(jù)信，它被認(rèn)為是在單位面積內(nèi)，有最高信道電極密度的人造視網(wǎng)膜。
美國空軍和VSX 公司部分資助了另一個雄心勃勃的視網(wǎng)膜修復(fù)項目，他們正在開發(fā)一種無需利用信號恢復(fù)部分視力、直接模擬眼睛內(nèi)部視網(wǎng)膜運動的方法以為視力殘障者帶來光明。這一3 mm的芯片使佩戴者的視力恢復(fù)10%。猶他大學(xué)與橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Labs)及田納西州大學(xué)健康科學(xué)中心一道努力，同樣在向失明發(fā)起挑戰(zhàn)。MIT及日本和德國的一些大學(xué)也在從事類似研究。
仿生耳的研究可用一句話來概括：壯觀。密歇根大學(xué)已經(jīng)開發(fā)出首例實體大小的MEMS可植入機械耳蝸。植入耳蝸是通過將不同頻率的信號發(fā)射給植入在耳蝸螺旋體(cochleal spiral)內(nèi)的電極工作的。聽覺神經(jīng)然后將這些信號傳送至大腦。為機械耳蝸增加的傳感器陣列有助于驅(qū)動植入耳蝸的電極。
為解決聽力障礙，NVE公司開發(fā)出巨型磁阻傳感器(GMR)，這些傳感器無需人工干預(yù)能自動調(diào)節(jié)助聽器的音量。這些電子自旋(spintronic)磁阻傳感器由Starkey Laboratories制造，他們利用電子的旋轉(zhuǎn)而不是充電來存儲信息。
喬治亞州技術(shù)研究學(xué)院向Peacock Communications公司轉(zhuǎn)讓了可佩帶配文技術(shù)，Peacock Communications提供一種其稱為COMMplements的軟件系統(tǒng)，它為失聰者送區(qū)福音。該軟件借助IEEE 802.11b無線傳輸能力，使失去聽力的移動用戶能方便訪問因特網(wǎng)，通過PDA為體育運動配上文字說明。
更好的疾病監(jiān)護、診斷和早期預(yù)警
將疾病危害減至最小的途徑之一是采用更正確、有效的無創(chuàng)監(jiān)護、診斷和早期預(yù)警幫助。與以往相比，通過無線RF成象，可吞服成象藥片為腸胃學(xué)家提供了更準(zhǔn)確的小腸圖象(圖4)。
加拿大卡爾加里大學(xué)的研究人員采用MEMS技術(shù)制造了一只電子蚊子原型，稱作“e-mosquito，”這只電子蚊子模擬真體蚊子的吸血過程(圖5)。其目的是提供受控的連續(xù)刺激及編排插入人體皮膚內(nèi)的微細(xì)針孔以抽取極少量的血液供以后做進一步分析。該設(shè)備為無線控制、無痛感、實時、半創(chuàng)血液分析和生理細(xì)胞核識別提供了一個全面和實用的解決方案。
正采用新DSP器件以進行更好的無創(chuàng)診斷。這里以加拿大Canamet公司的Piesometer MK-1便攜式血壓監(jiān)測儀為例。它采用Atmel的Diopsis雙浮點超長指令字(VLIW)DSP及一片ARM微處理器，從而克服了傳統(tǒng)聽診法具有的限制。聽診法采用水銀血壓計及自動血壓設(shè)備中采用的振動測波(oscillometric)技術(shù)。Canamet的儀器支持自調(diào)節(jié)信號處理方法，其中包括：自調(diào)節(jié)干擾消除、帶通濾波和峰值識別算法。
可植入實驗室級器件，有時又稱作生物芯片，它在無創(chuàng)監(jiān)測、診斷和控制方面最終將起著關(guān)鍵作用。許多這類器件是采用MEMS技術(shù)設(shè)計的。Affymetrix是最早推出這種生物芯片的公司之一，它早在1994年就推出了GeneChip(基因芯片)。安捷倫科技、Biosite、Cepheid、CombiMatrix、Nanogen和STMicroelectronics等公司此后相繼推出此類復(fù)雜平臺。這些生物芯片形成了一個巨大的分子電子學(xué)市場，在未來幾年內(nèi)該市場將有長足發(fā)展。
生物芯片的發(fā)展催生了一門新學(xué)科?D?D生物信息學(xué)，需要該技術(shù)以處理來自實驗室級芯片和DNA芯片輸出的大量數(shù)據(jù)。處理這樣的信息需要融合計算機科學(xué)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和算法研究。例如，Affymetrix的GeneChip(圖6)就能說明這一狀況?D?D象這樣的一塊實驗室級芯片有大量的數(shù)據(jù)需要處理和分析。必須從這些巨量數(shù)據(jù)中析取出有用信息的要求對電子產(chǎn)業(yè)提出挑戰(zhàn)，也正是這些挑戰(zhàn)映射出信息技術(shù)發(fā)展中面臨的機遇。
在可植入領(lǐng)域之外，圣地亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的科學(xué)家在忙于一個5磅重手持便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備的跟蹤研究，該設(shè)備能立即檢測出心臟和齒齦部位的病變(圖7)。
新技術(shù)同樣為殘疾人帶來福音
在修補和矯正器械方面同樣取得長足進展以改善殘疾人的生活質(zhì)量。機器人手臂幫助上肢殘缺者重新獲得心手和諧；機器人假腿幫助下肢不全者走上新的生活之路；心臟植入術(shù)使癱瘓的人僅使用其心臟和該植入裝置就能操控人工手臂。
所有這些將為我們帶來怎樣的美好前景？微加工技術(shù)、納米技術(shù)、機器人和生物工程這些技術(shù)將協(xié)同合作以更迅速準(zhǔn)確地診斷癌癥腫瘤。最重要的是，采用這些技術(shù)能在這些腫瘤引發(fā)大的病變前，將其徹底摧毀。華盛頓大學(xué)的一群研究人員正在為這一目標(biāo)而努力�；谒麄兊难芯砍晒�，將能通過為病人注射自組納米粒子的手段治愈癌癥，這些粒子能發(fā)現(xiàn)早期癌變并能用藥物將這些小腫瘤包裹并摧毀。
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