在人類發展的曆史進程中，材料是人類生存和發展的物質基礎，也是人類文明的標誌。所謂巧婦難為無米之炊，有了材料，人們就可以用來製造工具，從事生產和生活活動。新材料所說的“新”是個相對的開放概念，表示那些新出現的或者正在發展中的升級版的材料，其具備傳統材料所不具備的優異性能和特殊功能。
3.1新材料技術概述
醫學與新材料相互滲透，生物醫學材料隨之出現。生物醫學材料（或叫生物材料）是和生物係統相互作用，用以診斷、治療、修複或替換機體中的組織、器官或增進其功能的材料。生物醫學材料是與人類生命和健康密切相關的，既發生一定的診療作用，同時不會使人體產生不良反應。
已有30年發展曆史的納米材料，由於其獨特的電學、光學、磁學、力學等性能，與傳統的生物學、藥劑學和醫學相互滲透，可為解決目前臨床醫學中麵臨的諸多難題提供新的思路和方法，納米金靶向治療技術、納米磁性材料診療等技術的出現和發展，有望在疾病的早期診斷和治療方麵發揮重要作用。
組織工程材料的出現也在改變著我們的思維及治療模式。針對缺損的器官組織，用患者自身的細胞在體外甚至體內培養，需要什麼培養什麼，實現按需人工定製組織和器官，有望解決移植器官短缺的難題，未來的“器官工廠”可能不再隻是一個夢想。
藥物緩釋控釋材料通過藥物分子和載體材料的相互作用，賦予藥物分子以“智能”，使其能夠根據特定的需要，定速、定時和精確地釋放藥物。智能化的藥物分子有望解決病人服藥次數過多的煩惱，精確的靶向定位釋放係統不僅可提高藥效，也可大大降低藥物的毒副反應。
介入診療材料僅僅采用一些細小的材料，手術創傷較小，對病人身體水平要求低，效率較高，並發症少，使患者免受開腸破肚之苦，手術風險自然大大降低，是傳統外科手術的有力競爭對手，也成為部分疾病治療的首選。
整形美容材料的應用可改變先天或後天的缺陷，使越來越多的愛美人士實現了自己的夢想。隆鼻材料塑造和諧五官，隆胸材料塑造女性體態美，注射除皺材料實現返老還童的夢想，未來整形美容把我們變成百分之百的美人指日可待。
新材料技術的發展為藥物靶向、再生醫學、整形美容、疾病診療提供了新的支撐載體，未來更加安全、可靠的醫學材料會不斷湧現，這也為醫學的發展展現出更加美好的應用前景。
3.2微觀世界的奇跡——納米材料
3.2.1納米材料就在你我身邊
大千世界，無奇不有。淤泥裏一塵不染的荷葉，牆壁上如履平地的壁虎，水麵上自由漫步的水黽及海洋中導航識途的海龜，這些動植物均具備人類沒有的“特異功能”。那麼它們的一身本領又是如何練成的呢？原來荷葉的表麵，壁虎和水黽的腳掌以及海龜的頭部均含有一類共同的物質——納米材料，正是這些與生俱來的納米材料成就了它們奇特的本領。目前，科學家通過對它們的模仿，已經開發了壁虎膠帶、自清潔塗料、納米黏合劑、納米防水織物等多種高科技產品。
大自然中的納米材料存在已久。其實人工製備納米材料的實踐，曆史上也早已有之。墨是聞名中外的我國古代文房四寶之一，中國古代字畫之所以曆經千年而不褪色，是因為其主要原料由納米級的炭黑構成，納米級的炭黑是古人利用蠟燭燃燒生成的煙霧經冷卻收集而成。我國古代製造的銅鏡，雖經歲月的洗禮，仍然光亮如初，其秘密正是銅鏡表麵是由納米級二氧化錫顆粒構成的防鏽防腐層。
天然和人工製備的納米材料在我們的身邊早已存在。然而，限於當時的科技水平，人們仍無法對其進行係統的觀察和研究。隨後，盡管一些科學家對當時稱為超微粒子的材料開展了一些研究工作，但真正把納米這個概念引到材料上的是德國科學家格萊特教授。
格萊特長期從事晶體的研究。1980年，在一次澳大利亞沙漠的旅行中，他突發奇想，既然晶體微粒的大小對材料性能會產生極大的影響，那麼如果組成材料的晶體微粒小到幾個納米，材料的性能又會如何呢？這個想法令他無比興奮，回國後即開展相關研究，經過近4年的努力，終於在1984年成功獲得了納米級的粉體，並發現由納米粉體形成的塊體材料呈現出了一些前所未有的獨特性能，這便是公認的最早的人工製備的納米材料。
經過三十餘年的快速發展，時至今日，納米材料已成為納米科技所有分支中發展最為快速、最為成熟的一個研究領域，納米材料由於具有小的空間尺度和大的比表麵積，從而使納米材料表現出有別於傳統材料的一些獨特的電學、光學、磁學、力學等性能。憑借這些獨特的性能，納米材料已經開始在國防科技、能源、環保、生物醫藥等領域展現出巨大的應用潛力。本章節中，我們將重點向大家介紹一些具有先進功能的納米材料在臨床疾病的早期診斷和治療方麵發揮的作用。
3.2.2用於疾病診療的黃金—納米金
提到黃金，大家首先想到的一定是首飾店裏那些金燦燦的黃金飾品，其實這僅僅是黃金的用途之一。作為具有獨特物理、化學性能的貴金屬，黃金在電子工業、化學工業及宇航工業等均發揮著重要的作用。但如果說黃金能夠用於疾病的診療，大家一定會提出質疑，黃金難道還能治病？事實確實如此，不過用於疾病診療的不是普通的黃金，而是納米金。納米金是科學家采用物理化學方法製備的納米級的黃金，根據形貌可分為納米顆粒、納米棒、納米球殼和納米籠等多種形態。納米金由於具有獨特的理化性質，因此在疾病尤其是癌症的診斷和治療方麵，具有廣闊的應用前景。
（1）納米金造影劑：CT（Computed Tomography）檢查，多數人並不陌生。CT是基於人體的骨骼和組織對X射線的吸收與透過率不同的原理，利用檢測器對通過人體的X射線進行收集和檢測，隨後采用數學方法結合計算機技術對數據進行處理，最終獲得高質量圖像的成像技術，目前CT已成為臨床上疾病探測和診斷的一種強有力的手段。
大家可能會想，難道納米金與CT檢查有關係？原來，在臨床上，一些疾病通過普通的CT檢查（醫學上稱為平掃或非增強掃描）便可以得到明確的診斷，但有些疾病通過普通的CT檢查後，可能仍然無法做出最終的正確診斷，這時醫生會建議病人做進一步的CT增強掃描。增強掃描前，病人需要使用一種稱作造影劑的物質，造影劑對X射線有強烈的吸收，當病人的血管中注入造影劑後，由於病變組織與正常組織內血流狀態存在差異，病變組織的血管更豐富，因此病變組織內造影劑的濃度便會明顯高於正常組織，反映在影像上便是病變組織的密度要明顯高於正常組織，進而實現病變組織與其他組織的區分。
碘具有較高的X射線吸收係數，因此目前臨床上使用的造影劑多為含碘化合物。然而這些含碘化合物具有成像時間短、毒副反應較大等一些缺點。尤其對碘有過敏史的病人，在碘造影劑的使用過程中，易導致病人過敏，嚴重時會對病人身體造成嚴重傷害，甚至危及生命。如媒體曾報道北京某患者在醫院進行常規體檢，在做增強CT注射碘造影劑時出現過敏，最終造成大腦缺氧成為植物人。
近年來，納米科技與生物醫學的交叉融合，基於納米材料的造影劑開始出現，並展現了一些作為CT造影劑的獨特優勢，納米金便是其中的一種。經研究表明，與碘相比，納米金對X射線具有更高的吸收係數。此外，由於納米級的尺度，它們能夠在微米級的毛細血管中自由流動，因此組織中便會聚集更多的造影劑。與此同時，癌變組織的毛細血管通常情況下通透性會增強，納米材料能夠通過滲透作用更多地進入癌變組織的毛細血管。所以，理論上來講，上述因素均可使造影的效果更加明顯。
更重要的是，隨著納米粒子表麵改性技術的成熟，我們可以在納米金的表麵根據實際需求進行表麵修飾，比如通過表麵改性實現納米粒子表麵親水、疏水性能的改變；通過在粒子表麵化學鍵合修飾一些特定的有機基團，而這些有機基團能夠與我們擬檢測的目標組織或分子進行特異性結合，進而可以在擬測定目標處沉積更多的造影劑，並停留更長的時間，因此理論上可以實現更好的造影效果。
（2）納米金光熱治療：納米金除了用於疾病的檢測和診斷外，還可直接用於癌症的治療。以納米金作為攻擊癌症的武器，科學家已經在實驗室開發了近紅外光熱治療癌症的新技術。那麼小小的納米金是如何消滅腫瘤細胞呢？
研究表明，經過一定時間的加熱，癌細胞在43℃左右便會死亡，而周圍的正常組織並不會受到損害，這正是熱療的理論基礎。近紅外光對人體組織有很好的穿透能力（約10cm），而納米金能夠高效地吸收近紅外光並轉化為熱能，因此隻要將納米金輸送到病變組織內部，然後通過外部近紅外光的照射，使納米金持續穩定的釋放熱量，便可安全地將癌細胞殺死。
科學家的腳步並沒有停止，最近研究者在實驗室開發了一種集光熱療、藥物治療及靶向於一身的多功能納米材料。此納米粒子為中空納米球，球殼由內外兩層構成，內層為二氧化矽，外層為納米金。球的中空部分可以攜帶用於癌症治療的藥物分子，納米球的表麵包覆了一些特殊分子，這些特殊的分子可以與目標癌症細胞上的一些化學分子進行特異性結合，醫學上稱為靶向性。當這些納米粒子進入血管後，它便會像一枚巡航導彈，自動尋找腫瘤組織，並在腫瘤部位聚集。通過外部近紅外光的照射，便可使納米粒子升溫，同時釋放抗腫瘤藥物，實現光熱和藥物對癌症的雙重治療。
3.2.3疾病診療的多麵手——磁性納米材料
提起磁性材料，大家並不陌生，它們的身影遍及軍事、工業等各個領域，日常生活中更是隨處可見，各種銀行信用卡、磁卡、磁帶、計算機硬盤及各種家用電器均是它們的用武之地。
磁性納米材料由於納米級的尺度，因此表現出了有別於常規磁性材料的一些獨特性能。它不僅具有粒徑小、比表麵積大等納米材料所特有的性質，而且具有磁響應性及超順磁性等獨特磁學性能。正是這些得天獨厚的優勢，使磁性納米材料除了在傳統行業的應用之外，在磁共振成像、腫瘤磁熱療、藥物磁導向等醫藥領域也開始大顯身手。
（1）磁共振成像造影劑：磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是基於物理學中核磁共振原理而開發的一種成像技術，它是繼CT之後醫學影像學的又一重大進步，目前已成為臨床醫學影像學檢查中非常重要的檢測手段，尤其對癌症的早期診斷。
然而，任何檢測手段都有其局限性，隨著應用的不斷深入，人們發現，許多病變組織與正常組織磁共振的各種參數很難加以區分，即在圖像上無法正確分辨正常組織和病變組織，尤其是較小的病變組織，給臨床的精確診斷帶來諸多困難。
為了克服上述困難，科學家們開發了一種特殊的物質——磁共振成像造影劑。它能夠顯著提高正常組織與病變組織的成像對比度，不僅有助於實現人體不同組織的區分，對腫瘤的早期發現，尤其是較小病變組織的發現具有顯著的效果。鑒於造影劑的特殊功效，為了提高診斷的準確度，超過30%～40%的臨床診斷會使用造影劑。但這些造影劑均存在一些不足之處，如在體內循環時間較短，作為重金屬的釓離子具有一定的生物毒性等。
科學家經過長期的研究發現，磁性納米材料不僅能夠顯著增強磁共振成像的對比度，而且可通過粒徑的控製或者對納米粒子表麵進行修飾實現對特定組織的靶向性。同時，研究表明納米粒子在體內具有較長的循環時間，可提高磁共振成像的時間。所有這些優點使磁性納米材料成為磁共振成像造影劑的最佳選擇之一。
最近，多功能造影劑開始受到研究者的關注。如為了整合熒光成像和核磁共振成像技術的優點，研究者製備了具有核殼結構的納米材料造影劑，該材料的核層為具有超順磁性的Fe3O4，外層為具有上轉換發光性能的NaLuF4：Yb，Er/Tm，這種材料除了能夠用於核磁共振的成像造影劑，同時具有優良的發光性能，可實現上轉換熒光成像。多種成像技術的結合有望顯著增加檢測的準確度。
（2）磁性納米材料與癌症的磁熱療：在前麵章節，我們給大家講述了納米金利用光熱作用進行癌症治療的基本原理。那麼磁性納米材料又是如何實現癌症的治療呢？
研究表明，磁性納米材料在外界交變磁場的作用下會產生熱量。利用上述現象，科學家開發了磁性納米材料的磁熱療技術。首先，通過一些手段將磁性納米材料運輸到癌變組織，然後通過在外部交變磁場的作用下，納米材料均勻地向周圍癌變組織釋放能量，腫瘤組織局部的溫度便會升高，通過控製外部交變磁場便可殺滅腫瘤細胞，實現癌症治療的目的。
目前研究者已經開發了更為高效安全的磁熱療材料。如通過在磁性納米粒子表麵修飾一些靶向分子，具有靶向分子的納米粒子進入人體後便會與癌變組織特異性結合，從而提高納米粒子在癌變組織中的濃度，最大程度減少治療過程中對正常組織的損害。
3.2.4前景和展望
上述給大家闡述的僅僅是納米材料在生物醫學領域中應用的部分例子，還有許多應用我們無法一一講述。如納米材料在熒光成像中的應用，在醫用材料中的應用，在藥物載體方麵的應用，在組織工程材料方麵的應用等。然而，我們不得不注意一個事實，盡管納米材料在醫學、醫藥領域展現了巨大的應用前景，但多數技術仍停留在實驗階段。此外，科學家雖然對納米材料的生物安全性及對周圍自然環境的影響開展了一些研究，但我們對納米材料的認識仍然甚少。但我們相信，隨著科學工作者的努力，在不遠的將來，這些技術方法最終會逐漸成熟，並應用到臨床上，為疾病的治療提供更安全、更有效的手段。
3.3人工定製的組織——組織工程材料
3.3.1難以抑製的傷
疾病，這個人類不太喜歡的對手，總是伴隨在我們左右，並偶爾暴發以宣示其存在。感冒之類的小恙在現代醫學的圍剿下已經不值一提，但要宣布人類的完勝，似乎還有點為時過早，不甘失敗的對手改變戰略，以一種我們難以回避的方式繼續肆虐。
譬如，隨著生活水平的提高，脂肪攝入越來越多，運動越來越少，生活習慣的改變使脂肪肝、糖尿病等富貴病頻發，由此帶來的器官損傷問題日趨嚴重；再如，隨著交通事業的發展，生活節奏的加快，隨之而來的事故傷害同樣不可避免。
2010年10月22日下午，台灣著名藝人Selina（任家萱）和俞灝明，在上海拍攝一場爆破戲時被嚴重燒傷，燒傷組織需要修複，兩人康複治療過程均在半年以上；2012年5月8日，黑龍江省佳木斯市第十九中學的語文教師張麗莉，在失控的汽車衝向學生時，她一把推開了兩個學生，而自己卻被車輪碾壓，造成全身多處骨折，多處受傷組織需要修複。這些事例觸目驚心。據統計，美國每年需要進行800萬次手術，修複損傷的組織或器官，年耗資超過400億美元，我國創傷住院年增長率達7.2％，高居住院人數第2位。
一方麵，由疾病和事故引起的組織、器官損傷及功能障礙是人類健康的大敵，是導致人類死亡的主要原因。另一方麵，人們對治療和疾病的要求越來越高，醫生不僅要治愈受傷的組織和器官，還要使其恢複得美觀，並保持原有的功能。
如何修複受傷的組織或器官？換掉就可以了，維修店裏的場景也適用於損傷的器官，我們稱之為器官移植，前麵已經講過。這是目前非常有效的治療方法，盡管可能存在機體對外來器官的排斥作用，每年仍有大量的病人排隊登記接受器官移植，巨大的需求使得器官供體來源十分有限。數據顯示，我國每年有100萬人需要進行腎髒移植，其中僅有大約1％的患者能夠獲得器官移植的機會。資源的短缺使一些人在漫長的等待中絕望離世。
還有一種方法，那就是自體移植。以相同的組織修複組織缺損，拆東牆補西牆。如上唇損傷，可以從完整的下唇選擇組織進行修複。顯然，這種方法顧此失彼，其破壞性的治療方式不僅會造成正常組織的損傷，如果遇到大麵積組織損傷，往往也束手無策。
上述種種局限，使得人們開始思考：能否像工廠生產零部件一樣，根據病人的組織器官缺損情況，需要什麼培養什麼，需要多少培養多少，實現人體組織和器官的人工培育和定製。
提出問題比解決問題更重要，沿著人工定製組織和器官的思路，經過幾代研究者的共同努力，不斷嚐試和完善，一門嶄新的叫作組織工程的自然科學分支學科出現，並快速發展起來。
3.3.2蘭格的逆襲
說到組織工程，就不得不提羅伯特·蘭格的化學工程博士學位。在當時，化學工程是一個為石油行業培養人才的專業，蘭格的大部分同學畢業後都去了當時十分紅火的煉油企業，但這並不是蘭格的理想。
蘭格立誌從事生物醫學研究，治病救人，這在當時有些離經叛道，但他堅持自己內心的想法，向醫院和醫學院的多個職位發了申請，無奈天不遂人願，結果都石沉大海。千裏馬雖好，尚需伯樂識。哈佛醫學院和波士頓兒童醫院的猶大·福克曼是一名傑出的醫學科學家，其最突出的成就是提出了腫瘤血管新生學說，即腫瘤的生長依賴於新生血管。福克曼以不拘泥於傳統而著稱，他慧眼識珠，招收蘭格為博士後從事生物聚合物研究。事後證明，正是福克曼的引導使得蘭格成為組織工程領域的先驅人物。
由於從事的生物聚合物研究在當時認可度不高，身為博士後的蘭格依舊四處碰壁，最終艱難地在麻省理工學院謀得了一個教職，建立了自己的實驗室。他敏銳地注意到合成材料在醫學中的重要性，從而開始了生物材料的研究。
其實在蘭格之前，為了尋求受傷組織和器官的替代品，人們也做了很多嚐試工作。1977年，皮茨堡大學的格林將分離培養的軟骨細胞與脫鈣的骨支架聯合培養，以複製軟骨用於關節修複，這是組織工程的早期嚐試。
1989年，大阪大學醫學院的研究者將分離的軟骨細胞，分散在膠原蛋白溶液中，隨後將含有膠原蛋白的軟骨細胞移植到軟骨缺損的兔中，24周後，受損的兔關節充滿了軟骨組織，經證實這些軟骨組織來自於移植的細胞，實驗獲得成功。
20世紀80年代中期，蘭格與馬薩諸塞州兒童總醫院的約瑟夫·瓦坎蒂合作，在前人的基礎上，結合醫學背景與工程材料知識，嚐試研發能夠修複人體病變組織和器官的部件，通過細胞培養的方法，得到與天然組織具有相似結構的體外培養物。
他們在軟骨細胞的培養中，加入合成的高聚物分子充當細胞生長的支架。這些精心篩選合成的高聚物分子具有可調控的理化性質，可構建成不同結構的細胞生長支架，使細胞心安理得地在這些支架上安營紮寨，生長繁殖。待生長出真正的組織後，完成任務的支架材料就功成身退，分解消失，仿佛沒有存在過一樣。
1988年，蘭格和瓦坎蒂合作，發表了第一篇在可降解聚合物進行細胞培養的文章，並宣稱這一種基於細胞的移植方法盡管有些匪夷所思，但有助於替代當前的方法並值得進一步研究。
1993年，二人又在著名的《科學》上發表關於組織工程的綜述文章，由於《科學》雜誌在圈內的強大影響力，這篇定義了組織工程的文章，奠定了生物材料在組織工程中的關鍵地位，也使得蘭格和瓦坎蒂被公認為組織工程的創始人，蘭格甚至被稱為組織工程之父。時至今日，組織工程研究仍然因循這樣的思路，在可降解的生物支架材料上培養活細胞，構建生物替代物，然後將其移植到組織病損部位，以達到組織修複和治療目的。
至此，蘭格成功實現了由科研小卒向科學巨人的轉變，榮譽接踵而至。蘭格是美國少有的工程院、科學院和醫學研究院“三院院士”，也是美國曆史上最年輕的院士。至今，在麻省理工學院化工學院蘭格教授的主頁上，仍自豪地寫著：“蘭格博士發表了1175篇文章，在世界範圍內擁有約800項專利，他的專利已經授權給250家醫藥、化工、生物技術和醫療器械公司。他是曆史上被引用次數最多的工程師。”蘭格是一名獲獎專業戶，迄今一共獲得210項大獎，也被稱為“曆史上最高產的醫藥發明家”之一。福布斯雜誌評選蘭格為世界上生物技術領域最有影響力的25個名人之一。
與蘭格相比，約瑟夫·瓦坎蒂顯得低調得多，其個人主頁上僅有簡單的幾段介紹，很難想象這就是組織工程的先驅。1996年，在瓦坎蒂實驗室，研究人員將聚合物材料做成三歲兒童的耳朵形狀，把這一人耳支架當作細胞生長的家園，再將牛軟骨細胞種植在該支架上進行培養，待體外培養的“耳朵”長好後，在無毛裸鼠後背上割開一個口子，將“耳朵”移植到鼠背上。由於裸鼠無胸腺，缺乏免疫反應，這個異種異體的人工“耳朵”在鼠背上成功存活。
國內組織工程的學科帶頭人之一曹誼林教授，在瓦坎蒂的實驗室從事組織工程研究工作，人耳鼠的移植手術主要是由曹誼林完成。人耳鼠名揚天下，曹誼林本人也名噪一時。人耳鼠被譽為組織工程研究的一個新的裏程碑，標誌著組織工程技術不再是簡單的小修小補，而可以形成具有複雜結構的軟骨組織，人們因此看到了組織工程向臨床應用的曙光。
3.3.3初顯神效
故事還要從2004年的阿富汗戰場說起，當時年僅19歲的前美國海軍陸戰隊士兵柯波拉·伊薩亞斯·埃爾南德斯與戰友一起，正在為長途車隊裝備娛樂係統，突然“轟”的一聲巨響，他們遭遇到了炸彈襲擊。事實是殘酷的。這次襲擊奪取了同伴的性命，幸運的埃爾南德斯撿回了一條命，但無情的子彈碎片奪去了其腿部將近七成的肌肉，受傷的右腿隻剩下骨頭。等待他的，注定是漫長的治療和恢複。
醫生詳細查看病情之後，告訴埃爾南德斯，如果截去右腿並安裝假肢，他將獲得更好的生活質量，倔強的埃爾南德斯沒有同意。堅持自己的想法往往意味著要付出更多的代價，痛苦就是其中之一。在醫生將其大腿上的空洞用後背的肌肉縫合之後，積極的埃爾南德斯開始了漫長的腿部功能恢複之路，物理治療、訓練，滿懷希望的他忍受著極大痛苦。令人沮喪的是，長達三年的治療之後，失靈的右腿依然不聽使喚，持續的疼痛使得埃爾南德斯近乎絕望。截肢還是繼續，埃爾南德斯動搖了。
天無絕人之路，事情的轉機往往出現在刹那之間。幾欲放棄的埃爾南德斯看到了探索頻道的一個紀錄片，記述了一個退伍軍人指尖被切斷後神奇恢複的故事，秘方就是一種神奇的材料。帶著對截肢的反感和站起來的強烈願望，在醫生的建議下，猶如抓住救命稻草的埃爾南德斯做了一個瘋狂的決定，做第一個吃螃蟹的人，接受一種全新的治療方案。
2008年2月，醫生先對埃爾南德斯實施係統物理治療，確保腿部新的肌肉細胞處於生長極限。然後，醫生切開傷腿的空洞處，插入一片紙片一樣薄的材料，這種材料稱為細胞基質，是占據細胞之間空間的纖維狀物質，來自於豬膀胱。這些細胞基質含有豐富的蛋白質，可以喚醒機體潛伏的組織再生能力。
手術後，輔助幾個月的係統物理治療，奇跡發生了！數載的堅持終於得到了回報，久違的肌肉重新開始生長了，埃爾南德斯的肌肉力量較手術前恢複了30%，然後恢複到40%，半年後達到80%。他可以正常地站立、騎車和上下樓梯了，一切猶如夢境一樣。隨著媒體的報道和感歎，我們不禁要問，組織工程，為何能如此神奇？
3.3.4神秘的背後
這個世界上，尤其是在醫學界，從來沒有無緣無故的奇跡，你眼中的神奇不過是前人辛苦努力下的水到渠成而已。現在我們知道，嚴重受傷的埃爾南德斯的神奇恢複就是組織工程研究下的必然。而要成功地在體外完成組織器官人工種植培育過程，種子、支架材料和生長因子三個因素缺一不可。
首先要選用合適的細胞，細胞種子是基礎。為了避免後續植入階段機體免疫係統的排斥，一般使用病人自身的組織細胞。但這些細胞來源有限，試想一下，當一個燒傷的急救病人急需植皮手術時，你采用現場采集細胞現場培養的方式肯定是不現實的。具有體外無限製增殖特性的幹細胞一經出現，立即成為再生醫學領域的明星。相信不久的將來，會有可以大量提供各種細胞的“細胞銀行”出現。
原本細胞在機體這一複雜係統下無憂無慮的生長，突然我們把其從體內拿出來單獨培養，勢必要在體外建造一個適合細胞生長的合適的家。這個新家要盡可能接近原本細胞的家，以免細胞因環境不適而停止生長甚至死亡。這個家通常使用支架來構建，但不是任意材料都能做支架。實際上，支架的選擇和完美設計是組織工程成敗的關鍵。
首先，支架要有一定的可塑性，可以塑造成替代組織或器官的形狀，並具備一定的強度；其次，支架內部要有多孔結構，便於細胞及其營養成分自由流動；再者，支架材料要求無毒，並可在體內降解。天然的膠原蛋白、多糖、明膠，人工合成的聚合物等都是潛在的支架材料。
可以想象的是，將天然組織的細胞清除後，剩餘的纖維網格無疑是最理想的支架。2008年，美國明尼蘇達大學的研究人員，以大鼠心髒為對象，除去心髒上的細胞，在得到的纖維支架上培養心肌細胞和內皮細胞，生成心肌纖維和血管結構，最終竟得到一個跳動的心髒。
有了種子細胞，有了合適的支架材料當作土壤，是否就一切具備了呢？事情沒有那麼簡單，組織工程研究者務必要使細胞的生長在可控製的範圍內，通過施肥——添加適量的生長因子調控細胞生長、增殖和分化。這些生長因子也各有分工，一部分促進細胞在支架上安家，一部分促進細胞生長，一部分促進細胞分化成所需的組織器官。當然，為了真實模擬人體內細胞所處的應激環境，還經常需要施加特定的機械信號和物理信號。這些信號和生長因子一起，控製細胞向我們想要的方向生長。
一個成功的結果必定是多個成功過程的組合，每一個看似簡單的環節背後都凝聚著科學工作者大量的智慧和汗水。有了種子、土壤和相關肥料的準備，人工培育組織器官的基本條件已經具備。隨後，人們的研究就集中在過程的完善和美化，尋求新的支架材料，需求新的細胞，並結合生長因子調控細胞的增殖和分化，構建具有良好功能的組織材料。
2006年4月，世界知名醫學雜誌《柳葉刀》報告了第一項關於組織工程膀胱人類臨床試驗結果。這項工作由美國維克·福裏斯特大學再生醫學研究所的阿塔拉研究小組完成，7例膀胱功能異常患者年齡為4～19歲，在植入自身細胞來源的培育膀胱後，經過最長超過5年、最短也近2年的隨訪，病人膀胱功能得到持續改善。這是首次在體外培育出完整的人體器官並得到實際應用的報道。“阿塔拉的研究成果，展示了組織工程技術良好的發展前景，說明在體外培育複雜的人體器官不是不可能的。”我國組織工程研究專家曹誼林在接受《中國新聞周刊》采訪時如此評價。
2008年，人工培養的會跳動的心髒誕生；2010年，人工培養的肺樣組織、肝樣組織出現，移植入動物體內後可部分替代受損組織功能；2011年，全球首例自體幹細胞人造氣管移植手術實施成功，受益者是一名36歲的非洲學生。組織工程，這一新興領域不斷給我們帶來驚喜，並使我們對未來充滿期待。