生物醫學工程大師–蘭格與柯爾夫|

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生物醫學工程大師–蘭格與柯爾夫

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林天送｜美國聖路易華盛頓大學化學系暨神經科學系

小百科

生物醫學工程領域涵蓋很廣，有人工器官、人造組織、醫療器械、生物材料、診斷設備（如MRI 和 CT Scan）、藥物傳送、生物信息學、醫學圖像、圖像處理、生物力學、系統分析、三維建模等，目前仍一直在擴張著。

蘭格於1948年出生在紐約州的阿本尼巿，有700多項有關生物醫學工程方面的專利。他於1974年自麻省理工學院（MIT）畢業，就走進生物醫學工程的領域。起初，他以化學工程的專長研究藥物的傳送，當時治療癌症的化學藥物毒性高，副作用大，蘭格精心設計了藥物的傳送方法，也就是如何包裝藥物，以利送達癌症部位，而且可以精確控制釋放的時間。由於聲譽卓著，3年後他就被母校MIT聘為助理教授。

根據維基百科的資料，蘭格的實驗室是全球最龐大的生物醫學工程研究室，有100多位研究員，每年研究經費多達數千萬美元。除了藥物傳送外，他還從事組織工程（tissue engineering）的研究，研發人工皮膚的製造、血管組織的再生等。

柯爾夫（1911-2009）是二次大戰後從荷蘭移民美國的醫師，他先到俄亥俄卅的克立夫蘭診所當主任醫師，1968年轉到猶他大學成立人工器官研究所及生物醫學工程學院。他有許多生物醫學科技的發明，最有名的是洗腎機器和人工心臟，有人稱他是「人工器官之父」。

他覺得醫療科技的發明是以救人為本，能使患者有更好的生活品質最重要，因此他研究出來的一些發明並沒有提出專利申請。

靈機一動

蘭格一直都跟醫學院的教授有密切的合作研究。1980年代，蘭格與哈佛大學醫學院的瓦坎帝（Joseph Vacanti）醫師進行人造皮膚的研究，為了急救嚴重灼傷體無完膚的患者，蘭格實驗室合成了一種聚酸酐（polyanhydrides）來製造人工皮膚，期望皮膚細胞能生長在這二維的聚合物架構上，而聚合物最終會自行分解，因此就可以留下一層有規則的皮膚組織。

但在研究初期，他們發現聚合物只能製造出二維薄薄的皮膚層（大約1.4 毫米），由於內層皮膚細胞需要氧氣與營養才能繼續生長，因此無法生長出更厚的皮膚層，這難題是個大瓶頸。

1986年夏天，瓦坎帝與家人到麻州的避暑勝地鱈魚角（Cape Cod）海灘度假，他注意到海灘旁邊搖擺海帶的枝節結構（branching seaweed），突然間，瓦坎帝靈機一動，如果可以用枝節狀的聚合物做架構，說不定可以長出更厚的皮膚組織。度假回來，他馬上與蘭格商談其構想，蘭格也很快就合成出所需的枝節狀聚合物，用這新的聚合物果然可以長出厚厚的組織。

人造皮膚的成功只是一個開始，接下來是各種人造組織與器官的研發，蘭格的實驗室很快就製造出人造膀胱組織和肝臟組織。蘭格說，用這方法去研發人造器官應該指日可待。

藥劑傳送的研發

有一次，蘭格看到一個電腦晶片製造程序的影片，馬上就聯想到這個程序或許可以應用到藥劑的傳送。他立即與電腦工程系的專家希馬（Michael Cima）教授聯絡，並合作研發藥劑的傳送。

他們在約一角硬幣大小的電腦晶片上製造了34個儲存小槽，可以放置藥劑，兩側有小金片當柵欄堵住，以防藥劑外釋。經由電腦微處理器的控制，醫務人員可以送電流到某特定的儲存小槽，破壞金片，打開儲存小槽使藥劑外釋。因電腦微處理器可以控制任一儲存小槽，就可以系統化地傳送藥劑。目前已經可以製成有1千個微劑量（microdoses）的儲存小槽，這對化療藥劑的傳送有很大的幫助。

另一個研發重點是基因治療，也就是把DNA引進人體以製造某些蛋白質。早期的方法是利用病毒當載體把某DNA引進人體，這個方法非常危險，因為病毒可能會引起感染。蘭格的實驗室改以微小或幾個奈米大的聚合物當輸送載體，這微小載體可以穿越細胞膜，而在這載體上裝有特殊化學功能基，可以傳到特定的細胞部位並釋放DNA酬載（payload of DNA），達成基因治療工作。

人工器官的研發

40幾年來，人造人工器官如心臟、腎臟、眼睛、手臂等的移植與裝備有很大的進展。美國猶他大學是人造器官研究的發源地，主持這方面研發的正是柯爾夫醫師。

柯爾夫實驗室的研究是以人體器官的運作機制做藍圖，以之透視人造器官的程序功能而設計出模擬人體器官的機器。早期在柯爾夫實驗室參與人造心臟計畫的研究人員有150多名，他以研究者的姓名來命名人造器官的模型，如第一個成功移植的人工心臟叫做Jarvik-7，就是由研究員賈威克（Robert Jarvik）設計製造出來的。

器官移植的另一個困擾，是人體免疫系統會對其產生排斥現象。因此不僅機器的設計，所用的材料也非常重要，Jarvik-7人造心臟就鍍有鐵氟龍聚合物以減輕排斥問題。患者是瀕臨死亡的柯拉克（Barney Clark），她在移植後又活了110日，這個故事成為1982年《時代》與《新聞周刊》的封面專題報導。

人工眼睛是由杜貝爾（William Dobelle）主持研究的，他用光纖、攝影機和電腦設計出能與人腦視覺神經連線的機器。杜貝爾後來轉至哥倫比亞大學仍繼續研究，已經進行初步的臨床實驗，他們希望人造眼睛讓盲人也可以開車。

人工腎臟是由賈克遜（Stephen Jacobsen）研究成功的，他也研發人造手臂，並成立行動控制（Motion Control）公司製造義肢。他的人造手臂被稱為「猶他手臂」（Utah Arm），是用電腦微處理器與腦連線，以腦意識來控制精細的手指動作。這之前他也曾發明「波士頓手臂」，但這第一代的人造手臂非常笨重，也不能做精細的手指動作，拿東西吃時，甚至會割傷口舌。

掌聲回響

蘭格43歲時就被選為美國3個頂尖學院：國家科學院、國家工程學院、醫學學院（Institute of Medicine）的院士，他是美國至今同時擁有這3個榮譽頭銜的學者中最年輕的一位。波士頓市Boston Globe日報曾經把蘭格選為波士頓市最聰明的人（The smartest man in Boston）。目前他是MIT最高講座教授，而全MIT只有14人有這榮譽頭銜。

蘭格曾榮獲許多有名大學的榮譽博士學位，如哈佛大學、耶魯大學、瑞士ETH大學、英國利物浦、加州舊金山醫學院等。他也獲得許多金牌獎，如美國國家科學獎、Lemelson-MIT發明獎（獎金50萬美元）、2008年芬蘭的千年科技獎（Millennium Technology Prize，獎金80萬歐元，相當於諾貝爾的科技獎）等。

他對科學教育也不遺餘力，是Lemelson-MIT發明獎（分專業、大學與研究生3種）的評審委員之一，經常鼓勵青少年參與各種科技活動。

深度閱讀

Brown, D. E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, pp. 24-29; 34-37. MIT Press, Cambridge, MA.
Schwartz, E. I. (2004) Juice: The Creative Fuel that Drives World-Class Inventors, Ch. 7&8. Harvard Business School Press, Boston, MA.
Langer, R., Ed. (2010) Nanotechnological strategies for engineering complex tissues. Nature Nanotechnology, 6, 13-22.
http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Langer
http://web.mit.edu/langerlab/

資料來源

《科學發展》2011年12月，468期，70 ~ 73頁

免疫(50) 酬載(4) 鐵氟(2) 科發月刊(5221)

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