天才构想：把我们的肌肉和血糖变成起搏器的“电池”

[第1楼 PID2372] 2007-09-13 19:59 天才梦 写道:

天才构想：把我们的肌肉和血糖变成起搏器的“电池”

　　
美国加州大学洛杉矶分校的科学家近日研制出一部全新概念的自动装置，它用硅制造，宽度不到人类头发丝直径的一半。最神奇的地方是它的“发动机”———活的心肌纤维。这是世界第一部用肌肉组织驱动的微型机器，它有望让植入心脏起搏器的病人再也不用担心电池耗尽，让高位瘫痪病人彻底摆脱呼吸机。

心肌纤维当电源

很久以来，科学家们一直在探索如何将医学装置微型化，这样，这些装置就可以永久植入人体内，以帮助某些患病器官正常运作。现在的一块大绊脚石是，如何让这些微型医学装置的电源体积变小。

举例来说，植入型心脏起搏器发展到现在，结构非常紧凑，体积也缩小到如同火柴盒大小。但是它的身量，相当大一部分是因为那个体积相对较大的电池。如果用美国加州大学洛杉矶分校研究的新装置作为动力来源，不仅电源所占的空间几乎可以忽略不计，而且有可能把所有的功能集成到更小的装置上，让起搏器的个头变得比邮票还要小。

卡洛斯·蒙泰马尼奥教授是加州大学洛杉矶分校生物工程部的主任，在这个著名微技术工程师的领导下，他的研究小组研制出了世界上第一个用人体活组织驱动的自动装置。

这是一个用硅制成的拱型结构，宽度为50微米（1微米等于百万分之一米），比削得极细的铅笔尖还小。在拱型结构底面上，有一束心肌纤维，这就是装置的“发动机”。不像其他肌肉组织，心肌无需电力刺激，自己能扩张收缩。随着心肌纤维组织的收缩和放松，拱形结构也相应地弯曲和伸展。心肌纤维就这样成为整个自动装置运动的动力。

细胞与人造材料合二为一

要制造这种小东西，本身就是一项令人生畏的科技挑战。它把活的人体组织与人造材料相融合，制成一个可以正常工作的机械设备，在科技上是十分重大的进步。

研究人员必须将肌肉组织与人造材料“绑”到一起，而且要保证肌肉组织必须能够伸缩自如，才能让装置动起来。研究人员最后耍了一点化学戏法，解决了这些问题。其中发挥关键作用的，是一种特殊的聚合物，它遇热会变硬，凉下来后就变成液态。

罗伯特·丹尼斯是美国密歇根大学安娜堡分校的生物医学工程师，他曾在研究中证实，在恰当的条件下，肌肉细胞可以自动转变成功能性组织。此次加州大学洛杉机分校的研究，就是以丹尼斯的研究为基础的。

首先，研究人员用硅做了一个宽度为50微米的拱型模子，并在表面涂上那种特殊的聚合物。然后，他们在拱形的下侧涂上一层黄金薄膜，它能“粘”住肌肉细胞。最后，他们将老鼠的心肌细胞放在黄金薄膜上，再把整个装置放到孵育箱中加温培养。

3天后，心肌细胞已粘附在硅片上，并沿着拱型的方向生长，转变成了一束肌肉纤维。把整个装置从孵育箱里取出冷却，原本硬硬的聚合物变成了液态，可以轻松地用水洗去。这样肌肉纤维获得了“解放”，马上开始动作，成了整个装置的“腿”。

研究人员介绍说，一旦洗去聚合物，机器马上开始爬行，速度高达每秒40微米。整个装置的几何结构，保证肌肉的伸缩动作会将装置向一个方向推进，而不会只在原地伸缩。

要创造人体活细胞和人造材料共同合成的微型机器人，这个装置迈出了关键的第一步。

能量来源是葡萄糖

现有的心脏起搏器等植入装置，都需要电力驱动。新发明的微型机器是一种全新的自动设备，“发动机”是活体肌肉组织，“燃料”则是我们人体的能量来源———葡萄糖。只需将葡萄糖放在自动装置上，给肌肉组织提供营养和能量，它就可以一直动下去。因此，这个拱型的小东西是微型电动机极具潜力的替代产品。

如果植入人体，那么我们可以撤底抛弃大个头的电池，还有复杂的电线。“燃料”根本不用发愁，可以直接利用我们血液里的葡萄糖。肌肉组织可以将葡萄糖转换成机械能，肌肉的伸缩又能将机械能转换成电能，用以驱动这些微型机器。

研究小组的领导蒙泰马尼奥教授说，将来，完全有可能制造出一个比邮票还小的集成装置。而且这种装置植入人体后，可谓一劳永逸，再也不用操什么心了。既不存在更换电池的问题，也无须担心会因装置外部的电线而感染。而现在的心脏起搏器使用寿命一般为5～10年，到期后，病人必须去医院动手术，换上新的起搏器。否则起搏器电池耗尽停止工作，病人就会面临生命危险。

除了心脏起搏器，其他体内植入装置也可以用新装置作为动力。另外，暂时放入体内的各种传感器也可以使用这种新技术，变得更加娇小玲珑，帮助医生更好地诊断及治疗疾病。

当然，在最终运用于医学实践前，还有几个头疼的技术问题需要解决。比如，要在一个单独的系统里容纳肌肉组织与电子设备；要保证整个装置经久耐用；必须有可靠的“包装”，保护电子设备在人体内正常工作……

5年后让病人摆脱呼吸机

蒙泰马尼奥希望利用这一技术，制造一种神经刺激器，帮助膈神经受损患者或高位瘫痪的病人摆脱呼吸机，实现自主的顺畅呼吸。

膈神经刺激横隔膜产生呼吸运动，它一旦受损，患者通常需要呼吸机，才能维持正常呼吸。同样状况的还有瘫痪病人。如以饰演超人出名的美国演员克里斯托弗·里夫，1995年从马上摔下，导致颈部以下瘫痪，此后只能与轮椅和呼吸机为伴。

现在里夫虽然没有摆脱轮椅，但正在逐渐减少对呼吸机的依赖，可以无需呼吸机，独立呼吸几个小时。他作为第3个试验者，去年接受了一种正在试验阶段的手术，在横膈膜内植入电极。电极以每分钟10~14次的频率发送电流，刺激横膈膜扩张收缩，就像正常人呼吸一样。

与传统的打开胸腔的手术相比，这是微创手术，感染的危险降低了许多。手术时，医生在病人的胸腔上打开4个小口子，每个口子相当于10美分硬币大小。但是，接受这种手术必须有个前提，即膈神经的功能完好。对于那些膈神经受损的脊髓损伤者，此法还是无能为力。而且，植入的电极以及长期的电子脉冲信号，都可能会对膈神经造成永久性的伤害。如果此期间电池一旦出了故障，也是一件极麻烦的事。考虑到这种种可能，手术后，“超人”仍然保留了气管造口，一旦情况有异，可以很容易地将呼吸机装回去。

蒙泰马尼奥的新办法，则没有这些风险。他打算用取自患者本人的心肌组织（如上文所述，可以用心肌细胞培养得到），制成神经刺激器，这样，患者的身体不会对植入物产生排斥反应。而且作为“电池”的肌肉组织，可以源源不断地利用人体血糖“充电”，不会出现电池故障或电源耗尽等问题。

蒙泰马尼奥说，现在他们仅是掌握了基本的技术。如果有足够的资源，他们能在5年内开发出原型。利用这种新型的神经刺激器，就算是膈神经受损的患者，也有望能像普通人一样呼吸了。

[第2楼 PID2372] 2012-08-20 19:27 Robot :

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