想象一下，如果能用一小块皮肤细胞培养出一个个人体器官储存起来，等待人体衰老或病损时替换那些难以医治的器官，特别是，培养出一个人的大脑，并使之拥有这个人的知识和思维能力，随时准备替换……这一曾经只存在于想象中的场景，正随着“类器官”技术的发展将逐渐成为现实。事实是，在当代生物医学研究领域，类器官技术正掀起一场静默的革命。

类器官是源自干细胞或器官特异性祖细胞的三维多细胞聚集体，通常在培养皿中生长，可以分化、自组织形成具有特定器官结构和功能的微型器官——不仅能够模拟真实器官的结构和功能，更为疾病研究、药物开发和再生医学带来前所未有的可能性。而在这场革命中，一类看似与生命科学相关性不大的材料——无机活性材料，正悄然成为推动类器官技术发展的重要力量。

从概念到现实的类器官构建技术

类器官，这个听起来有些科幻的名词，实际上是指利用干细胞在体外培养出的肉眼可见的团块。它们能够自发组织形成具有特定器官结构和功能的微型器官。2009年，荷兰科学家首次成功培养出具有肠道绒毛结构的小肠类器官，开启了这一领域的研究热潮。

类器官的培养主要依赖三类干细胞，直接从组织中分离出来的成体干细胞（ASC，如肠道中的Lgr5⁺干细胞），具有发育成任何组织潜力的胚胎干细胞（ESC），以及人为以重编程技术将普通细胞（如皮肤细胞）强制“返老还童”而获得的诱导多能干细胞（iPSC）。然而，大规模、精准培养类器官却面临关键挑战：如何提供适合干细胞增殖和分化的微环境？错误的环境会导致干细胞分化为错误的器官——本来想培养出肝脏，结果却长出了一个膀胱。如果细胞不增殖，组织培养和类器官培养就无从谈起；如果细胞光增殖不分化，那长出的就是一堆纯细胞团，成不了器官。传统用于细胞培养的基质胶虽然常用，但其成分复杂、批次差异大，且存在病毒感染或带入遗传疾病的安全隐患。这时，无机活性材料以其独特的性能优势进入了科学家的视野。

无机材料的“生物活性”之谜

无机活性材料之所以能在类器官研究中大显身手，关键在于它们能够与生命系统产生积极的相互作用。这种作用的实现主要通过三条途径影响类器官的发育，呈现三类“生物活性”。

释放离子，调控细胞  无机材料如硅酸钙、掺锶的羟基磷灰石等，能够在生理环境中持续释放生物活性离子（Ca²⁺、SiO₄⁴⁺、Sr²⁺等）。这些离子就像细胞的“化学语言”，能够激活关键的细胞增殖或代谢的信号通路，将信号传导入细胞核，使特定的基因转录为mRNA并运送出细胞核，然后mRNA在细胞质的核糖体上合成特定蛋白质，从而完成细胞分裂或实现特定功能，比如，Ca²⁺离子可激活β-连环蛋白信号通路（Wnt/β-catenin），促进干细胞增殖；SiO₄⁴⁺离子能增强线粒体活性，提升细胞能量代谢；Sr²⁺离子具有双重调节作用，既能促进骨形成又能抑制骨吸收。在此领域，中国科学院上海硅酸盐研究所的吕宏旭研究员团队有多项重要研究成果，并正在进一步深入探索。

通过物理特性，发挥引导功能  无机材料的导电性、表面形貌等物理特性，能够直接影响细胞是增殖还是表现出特定的功能、行为。比如，石墨烯等导电材料可以传递电信号、促进心肌细胞的同步搏动，纳米级的表面拓扑结构（凹凸不平的结构）能够引导神经突起的定向生长，材料的软硬度变化可影响干细胞向具有某种功能的细胞分化。

重塑细胞周围的微环境 无机材料可以改变培养基质的性质，比如，调节基质的力学性能（如硬度、弹性），影响细胞外基质的降解速度，促进血管网络的形成等。

无机活性材料的突破性应用案例

在实际研究中，无机活性材料已经展现出了惊人的应用潜力。

案例一，增强心脏类器官。研究人员将导电硅纳米线（e-SiNW）整合到心脏类器官中，结果发现他们能将电传导速度提升约50%，电传导得快才能保证心脏细胞步调一致地收缩，才能有力地将血液推送到全身各处。把导电硅纳米线移植到心梗的老鼠心脏后，心脏功能恢复率达到约60%，同时心肌细胞的存活率提高3倍。

案例二，再生出皮肤类器官。科学家通过3D打印技术将硅酸镁纳米球整合到皮肤类器官支架中，成功诱导出毛囊和血管网络。把皮肤类器官移植到老鼠伤口后，能成功长出毛发，密度还挺高，可达到120根/mm2（数数你自己的头发每平方毫米有多少根？），还能使伤口的血管生成因子表达量提升2.1倍。

案例三，构建药物筛选平台。采用石墨烯构建的场效应晶体管做成的传感器，能实现类器官药物反应的实时监测，检测灵敏度达到0.1纳安培水平，检测效率提升20倍。

类器官助力材料评估

有趣的是，类器官不仅受益于无机材料，也可反过来被用于评估待选材料的生物相容性以及安全性。肝脏类器官模型筛选发现，金纳米颗粒的尖刺结构比球形结构的毒性要高7倍；肺类器官成功预测了多壁碳纳米管存在可能导致肺纤维化的风险；在肠道类器官模型中显示，生物玻璃微球可降低既是炎症因子又是肿瘤生长因子TNF-α量达75%。

未来展望与挑战

类器官的应用前景广阔，研究进展迅速，但还有诸多问题亟需研究。比如，在现有的类器官中，人们最想知道脑类器官如何构建、培养。现有脑类器官仅相当于12周胎儿的发育水平，因体外培养没有血液供应，缺少氧气和营养，难以发育出更复杂的结构，没显示出“聪明才智”。移植入身体后，类器官与天然器官之间一定有相互作用，但如何相互作用，如何研究这种相互作用？如何模拟？难度很大，技术瓶颈不小。还有个不好解决的问题就是批次差异的问题。现有类器官培养技术在不同批次间，在结构和功能方面，存在的差异甚至高达15%～30%。目前科学家正努力：开发多器官芯片系统，模拟人体器官之间的相互作用；设计智能响应材料，以精准调控类器官的培养和发育；建立标准化培养类器官的原材料、培养方法、培养步骤和检测方法等。还有伦理考量，比如制定类器官研究的伦理边界，不能随意培养某个人的类器官，不能随意买卖某人的类器官，不能通过类器官来窥探某人潜在的疾病，不能随意将人和动物的细胞混合培养，构建不伦不类的混种器官，特别是对神经类器官（如人脑）的意识问题更需要谨慎对待。

跨界融合的类器官新纪元

无机活性材料与类器官技术的结合，代表了一场材料科学与生命科学的完美跨界。这种融合不仅解决了类器官培养中的关键技术难题，更为再生医学、个性化医疗等领域开辟了新途径。或许在不久的将来，我们能够实现这样的场景：医生从患者身上取少量细胞，在实验室培养出个性化的类器官，再用最合适的无机材料对类器官进行优化，然后筛选出最佳的用于治疗的类器官。这一切，都将使精准医疗的梦想变得更加触手可及。

在这场生命科学的革命中，无机活性材料已经从幕后走到了台前，它们不再是冷冰冰的化学物质，而是成为生命再造工程中不可或缺的“智慧伙伴”。这种跨越无机与有机界限的融合，跨越无生命与有生命的造化，跨越无意识（思考）与有意识（思考）的鸿沟，或许正是未来医学最具革命性的发展方向。

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本文作者翟万银博士是中国科学院硅酸盐研究所期刊编辑部《计算材料学》（npj Computational Materials）的主编助理、编审，同时是《无机材料学报》的编辑，主要从事生物材料与组织工程学、生物化学与分子生物学以及人工智能与计算材料学等三个领域的科普创作