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生物醫學工程大師–蘭格與柯爾夫

生物醫學工程是個新興的跨領域學科,它結合了工程技術與生物醫學。本文介紹頗有貢獻的2位發明家:蘭格(Robert R. Langer)與柯爾夫(Willem J. Kolff)。
 
 
 
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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
  1. Brown, D. E. (2002) Inventing Modern America: From the Microwave to the Mouse, pp. 24-29; 34-37. MIT Press, Cambridge, MA.
  2. Schwartz, E. I. (2004) Juice: The Creative Fuel that Drives World-Class Inventors, Ch. 7&8. Harvard Business School Press, Boston, MA.
  3. Langer, R., Ed. (2010) Nanotechnological strategies for engineering complex tissues. Nature Nanotechnology, 6, 13-22.
  4. http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Langer
  5. http://web.mit.edu/langerlab/
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