2012年諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主(也是2010年京都獎(jiǎng)得主)、日本科學(xué)家山中伸彌(Shinya Yamanaka)所發(fā)現(xiàn)的多能性干細(xì)胞(pluripotent stem cell)，研究人員已經(jīng)能讓心臟在單芯片上跳動(dòng)；而這個(gè)來自美國(guó)加州柏克萊大學(xué)(University of Berkeley)的生物工程研究團(tuán)隊(duì)還嘗試以芯片來打造所有的人體器官，并以微流體信道來鏈接，目標(biāo)是用一片晶圓制作出完整的“人”。

 

“我們已經(jīng)知道如何利用山中所發(fā)現(xiàn)的皮膚干細(xì)胞產(chǎn)出幾乎所有種類的人體組織，”柏克萊大學(xué)教授Kevin Healy在接受《電子工程專輯》美國(guó)版編輯訪問時(shí)表示：“我們最初的應(yīng)用是鎖定藥物篩選，如此就不必透過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)；而利用病患的干細(xì)胞來打造器官單芯片，也可能有助于遺傳性疾病的治療。”

 

“心臟單芯片(heart on-a-chip)”每一次跳動(dòng)，會(huì)將血液打進(jìn)其硅膠與聚合物容器內(nèi)的微流體“血管”

 

因?yàn)橐晕⒘黧w通道鏈接不同器官，在其中運(yùn)送血液與天然的生物體液，上述“人體單晶圓”可望被應(yīng)用于研究藥物在不同器官之間的交互作用。“舉例來說，某種藥物可以治療心臟疾病，卻會(huì)在肝臟產(chǎn)生毒素；”Healy表示：“而這若是能在對(duì)病患施用藥物之前就發(fā)現(xiàn)會(huì)更好。”

加州柏克萊大學(xué)所開發(fā)的“心臟單芯片”用以放置從成人干細(xì)胞產(chǎn)出的人類心臟組織，該系統(tǒng)有一天可望替代實(shí)驗(yàn)動(dòng)物應(yīng)用于藥物安全篩檢

 

（來源：University of California at Berkeley；由Healy實(shí)驗(yàn)室的Anurag Mathur所拍攝）

 

那是否能利用此技術(shù)打造出“有生命”的機(jī)器人？Healy表示這并不在他們目前的研究范圍內(nèi)，因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)是由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health)的“藥物篩檢用人體組織芯片開發(fā)計(jì)劃(Tissue Chip for Drug Screening Initiative)”所贊助，這個(gè)跨單位的合作研究計(jì)劃目標(biāo)是開發(fā)藥物篩檢應(yīng)用的人體組織3D芯片。

 

不過既然該技術(shù)能打造人體器官單芯片，以及鏈接并讓器官互動(dòng)的微流體信道，也許有一天能做為類生物機(jī)器人的基礎(chǔ)；Healy表示：“我們會(huì)需要的是傳感器與致動(dòng)器，其中傳感器是最簡(jiǎn)單的，而麻省理工學(xué)院(MIT)已經(jīng)在開發(fā)扮演致動(dòng)器的人造肌肉。”

一片4英寸晶圓能制作24顆人工心臟芯片（來源：University of California at Berkeley）

 

到目前為止，Healy與他的團(tuán)隊(duì)成員已經(jīng)制作出吋許長(zhǎng)的人工心臟，以硅膠為外殼，內(nèi)含真正的心臟肌肉細(xì)胞；心臟細(xì)胞被嵌入該裝置后約24小時(shí)，就會(huì)開始自發(fā)性地以每分鐘55~80次的速率跳動(dòng)，從微流體通道推送血液。這種人工心臟一般也會(huì)對(duì)藥物產(chǎn)生反應(yīng)，跳動(dòng)速率因此加快或是減慢。

 

Healy實(shí)驗(yàn)室博士后研究員、加州再生醫(yī)學(xué)研究院(California Institute for Regenerative Medicine)院士Anurag Mathur表示，這種人工心臟的微流體通道目前只能傳輸營(yíng)養(yǎng)素，但未來也可望將廢棄物排除。目前研究團(tuán)隊(duì)所制作出的細(xì)胞能存活數(shù)周，有一天在單晶圓片上可望制作數(shù)百顆人體器官單芯片，彼此之間以微流體通道鏈接，傳輸血液與其他基本體液。