遍及人体的损伤和疾病损害着人的机体，医学界一直在寻求诊断疾病，治疗疾病，更重要的是预防疾病的技术。损伤和疾患对机体的侵袭常造成一些后果，这些后果无论是癌、骨髓炎、动脉粥样硬化，还是骨关节炎，都会丧失和破坏一些组织。在漫长的医学史上记载着试图用某种代用品去修复受到损伤的那部分组织的形态扣功能。

最初，代用品仅限于比较粗糙的假体，众所周知的玻璃眼球，木制假腿和金牙；圣经中的“以眼还眼，以牙还牙”同医生的工作可是有着截然不同的含义。

最近，我们已目睹了更精巧、更雄心勃勃的重建人体的一系列尝试，某些作者把它们叫做“移植外科”（spare-part surgery）。追溯几百年前，可以找到把代用品镶嵌到人体里，这是实践的开端。但是，直到20世纪60年代并没有取得真正重大的进展。此后，由于新一代的移植材料的问世，适用于移植的外科技术得到发展，重建人体的尝试才得到真正有效的发展。那时，髋部代用品和心脏瓣膜外科手术是先驱。现在，在材料科学，微电子学、药理学、细胞生物学以及其他多门学科发展的基础上，“重建外科学”产生了极其令人振奋的一系列新概念。在结构和功能方面对脏器进行置换已成为可能，这在不久以前还被认为是千年之后的事情。

我们现在所处的时代是一个能置入电子装置的时代。这些电子装置为了各种各样的目的从人体内传出和传入信息。现在有几种可植入的输注系统，它由植入的微处理器控制药物从储存器里积放到人体内的速率和数量。我们可以用干心脏壁制成的组织瓣膜代替人的心脏瓣膜，用骨所含无机物的合成仿制品代替骨，我们也可以用合成的聚合物、天然聚合物和病人自己的细胞组合制造出新的皮肤。

生物工程

尽管这些过程和其他许多步骤涉及到临床许多学科，然而我们讨论这些问题时，会发现这些主题的范围是生物工程，严格地说这应当称作生命工程，这个定义是给生物技术保留的。而在生物工程中，一般来说我们更加关心的是生物工程和自然科学的原理和技术应用于医学和保健，重建外科硬件的发展仅是生物工程的一个方面。

生物工程是一个高度专门化的学科，这是由它的特殊性质和雄厚的多学科所决定的。这就难以组成一个由具有不同经历的科学家、工程师和临床医生所构成的科学研究集体，几乎没有一个研究室可以把一个有意义的、长久的重点工作放在生物工程上。

最近，英国利物浦大学创建了一个医学和牙科生物工程研究院，以提供一个利于交叉学科希多学科工作的科研机构。这基本上是个研究中心，主要经费是大学向外界筹措提供的，现在，这个研究院参与了多个项目的研究，这些项目均研制医学和牙科学的重建外科的器械和材料。

在医学器械和移植材料的研制与评价方面情况各异，通过实例我们可以看一看这个研究院在四个方面的主要活动。

生物适应性

我们首先需要考虑的是材料，尤其是合成材料是否适合作为人体组织内的移植物。人体的内环境必须对植入材料没有不利的影响；此材料还必须不损伤组织。前者是与生物材料的腐蚀和退化相联系；而后者包括组织的毒性反应、病理反应和免疫反应。上述相互作用的双方共同决定了生物适应性，为了了解生物适应性所进行的探讨，以及寻求具有相宜生物适应性的高性能的材料构成重建生物工程的根基，它们在该研究院的工作中尤为重要。

当把它们移植到人体内时，人体的内环境对这种高技术材料从直观上看没有造成破坏，但在实际上，我们会发现这样的材料受到难以觉察出来的劣化，例如，我们的研究证实了血浆蛋白能够快10倍以上地加速腐蚀常规盐溶液里的金属，我们证实了某些组织酶能把它们自己的作用转到合成化合物的表面，并使通常稳定的聚合物和塑料劣化。人体内的腐蚀和劣化过程造成的结果是把一些潜在的刺激物和毒性反应产物积放到组织里，即使量极少，组织对这些物质也是极其敏感的。我们还发现，就我们目前对它们的一般毒性知识的掌握程度，还不能预测在把它们植入机体时，生命物质的衍生物引起组织反应的潜在能力。诸如铝这样的金属作为餐具使用是安全的，尽管长期使用会摄入微量的铝，但这并没有使人注意到是有毒的，但是，当把它们直接植入到组织内时，就会有很强的刺激性，它们能杀死细胞。

似乎生命材料的不活泼是理想状态，但是并非需要这样，我们必须避免植入物和组织之间的有害作用，一个真正惰性物质，即使有的话，它不能与组织充分结合，也不能完成它在体内相应的功能。因此，我们的方向是研究出一个完美的而且有益于组织的材料：用人造的工程材料取代被治疗的天然组织，例如，用戊二醛交键的牛心包或天然组织的合成代用品，诸如被烧结的羟基磷灰石钙来修复骨，或许使用具有相应的物理特性的几种合成材料的聚合物来包覆一层伪自然组织的表面。

血液的适应性

任何植入的部件，总的生物适应性是重要的，而对那些要接触血液的部件来说，更有独特的要求。这些部件包括血管修复物、心脏瓣膜、存在于体内的导管、肾和心肺机以及人工心脏。

问题的核心是健康人的血液是处于机能上的平衡状态，即存在着一个自发地调节血液理化性质的机制，如果需要增加血液凝固性，那么它就改变局部的血液，使其从悬胶液变为固状，以对付创伤出血。这是一个非常敏感的机制，容易被体外因子触发和扰乱。对于一个健康人来说，意外的血凝是不正常的当机体查明这一防御机制不是长期需要或完全不需要时，就利用另外一种现象即纤维蛋白溶解作用使凝血过程逆转。遗憾的是许多血管系统的疾病都是凝血和溶血两个过程的不平衡造成的。

尤其重要的是这样一个事实——外表面对加速血凝过程是非常有利的。遍及世界的许多实验室耗资费时从事在外表面阻止血凝的研究，这是研制人工心脏方面的重要课题之一。

遗憾的是血凝机制极其复杂，血凝通过几个不同的，但是相互影响的途径进行，每个途径都是一个生物化学的或免疫学的复杂过程。在这个过程中，重要环节之一是循环血流中的血小板聚集在材料的表面，它们被固在纤维蛋白构成的网架中，组成血凝块。我们研究院的荣誉教授Clement Bamford研究这样的假说：如果能阻止血小板的凝集，血凝块就不能形成。他已经试图用对抗血小板粘连和激活的化学方法来改变生物材料的表面，考虑到没有受到损伤的天然血管不吸引血小板，某些物质，特别是某些前列腺素具有阻止血小板凝集的作用，他采取把前列腺素或前列腺素的类似物贴在与血液接触的材料的表面的方法，Bamford教授在把前列环素PGI₂的人工代用品包在一种聚合物的表面的尝试是成功的。更重要的是这样可以保护人工移植物，使它们保持着活性的有效部分。这项研究为我们研制能与血液和谐共存的移植物的新表面带来巨大希望。

人造血管

同血液接触的一个重要发明物是人造血管。血管系统的疾病广泛存在，而且严重影响健康。通常叫做动脉硬化的动脉粥样硬化是由于脂质从血流沉积到动脉壁上引起的，它逐渐引起血管的阻塞，并因此而导致血压升高。这些可以发生在诸如主动脉这样的大血管和它的分支，也可以发生在比较小的血管，诸如外周血管（例如下肢血管）和冠状动脉。几种外科技术和非外科技术对解决这个问题是有效的。对严重病例最常见的处理是更换血管的受损部分，尽管在许多病例中，这项工作可以通过移植病人其他部位的血管来实现，然而外科医生经常优先考虑采用的技术是需要用某些人造血管来充当血管。

更换主动脉这样的大血管相对说来容易，更换小血管倒是困难很大，更换直径小于6毫米的任何血管都是难题。如前所述，困难在于血管里的血凝块，而且存在着一种非常大的可能——血凝块阻塞小血管比阻塞大血管更容易。人造血管本身并不是固体壁血管，而是微孔的，这种显微结构是由诸如聚酯这样的聚合物纤维编织而成的。血液一旦流过一段管状结构，就马上穿过管壁的孔隙而凝固。对于直径大于6毫米的人造血管来说，这是在一定条件下的自限过程，这个堵住每个孔的血凝块经过组织再生就形成了同正常血管极为相似的一层组织。这样的移植物是耐用的。

在这个研究院工作的外科医生达维德 · 安尼斯（David Annis）博士发明了口径小的新的人造血管，在口径小于4毫米的人造血管的研究方面取得了相当大的成功。代替传统的纺织技术工作，他把注意力转到静电纺织方面，产生了更为精巧的微孔结构。在这个例子中，使用了乙醚氨基甲酸乙脂。经过精心的设计，这种人造血管具备的机械特性，尤其是柔韧性，可以说精确地复制出天然血管的柔韧性，实验室研究证实这种人造血管具有令人振奋的前景。目前，它正经历临床检验。最终，我们希望在冠状动脉疾病及外周关键部位动脉疾病的治疗中，使用此项技术。

口腔移植物

口腔周围及口腔内的疾病和损伤比想象的要多得多，现在能对其中某些疾病和损伤所造成的后果进行修复。修复由龋齿损坏了的牙齿是一项经常性工作：当牙齿由于龋齿腐烂和损伤而脱落时，有几个已知的方法，诸如全口假牙、齿桥，能帮助牙科医生使病人牙齿恢复功能，愈来愈多的牙科医生和口腔科医生正把注意力转向利用移植物解决这些问题。

直至目前，保证牙齿移植成功还是困难的，因为某些独特的问题是由于人造牙齿刺伤上皮表面、口腔粘膜造成的。上皮能够沿着移植物的表面增生，从而在组织和移植物之间形成一道屏障。

现在这个研究院进行的几项研究目的在于更好地了解上皮细胞是如何出现以及为什么会出现这种情况，各种移植方案和临床技术对性能有何影响。最近两年，牙齿移植领域有了突飞猛进的发展，尤其是在一些新奇材料的应用方面。在利物浦正在进行着设计研究和临床应用，以便估价许多复杂因素的意义。

令人振奋的应用

简略地介绍此研究所的新项目，表明令人振奋的应用已在生物工程方面领先。植入的或监测生理量的内在部件具有日益增长的潜力；几种不同类型的临床/传感器和生物传感器现已上市。但是在开发有长效作用的生物传感方面的主要困难之一是它们的表面与生物体液相互作用，尤其是血浆蛋白从血液中沉积到它们的表面，改变了打英测量的物质（如血液含气量）的运输特性，这样得到的结果就不正确。利物浦的研究小组和牛津大学的科学家合作试图控制这些表面的相互作用，以保证可植入式生物传感器保持长期稳定性和可靠性。这种可植入式的生物传感器将是以生物化学或者药理学为原理而工作的任何装置的重要组成部分。这样的装置诸如积放胰岛素的人工胰腺。

控制可植入的“药库”或“贮液库”积放具有药理学作用的物质，也是未来发展的关键因素。现在正进行同这样的“药库”相联系的特殊生物适应性问题的研究。鉴于可植入的电子装置日益增长的重要性，现已开始研究在神经组织和某些类型先进电子材料之间的相互作用。

推测事物未来发展总是一件冒险的事。但是，这件事却是相当清楚的，即我们将有能力用人造部件来代替人类机体愈来愈多的部分，而这些人造部件将愈来愈复杂，愈来愈可靠。

[Spectrum 1987年第6期]