毫無疑問，科學注定將改善并豐富人類的生命體驗。微機電系統(MEMS)、微流體技術、納米技術、實驗室級芯片(lab-on-a-chip)器件、數字信號處理器(DSP)、可植入基因芯片和機器人等所有這些技術都將被整合在一起以捍衛我們的健康。它促成了一個技術新紀元的到來，其中，電子工程師、化學家和化學工程師、生物學家和生物工程師、醫生、倫理學家、物理學家和機械工程師攜手并肩，共襄改善生命質量這一壯舉。

整合了活體細胞、聚合體和芯片的生物復合器官是其中特別熱的一個領域。這些器官的構造體取自無機材料，而活體細胞取自尸體、動物或人體組織，這些活體細胞能最好地完成諸如生化功能及血液過濾等復雜工作。這些裝置能減緩疾病癥狀、延長生命。最終目標是將這些器件植入體內以發揮最大效用。完整的器官移植將是下一步工作。

密蘇里大學哥倫比亞分校的研究人員最近示范了一項研究進展?D?D有一天，該技術將使噴墨打印人體器官成為現實。打印器官以器官受贈者的細胞為藍本以確保與器官捐贈者的生物一致性，通過將打印層和構造層交替層疊的方式構造出打印器官。



腎輔助設備(RAD)就是這樣一種生物復合器官，已證明該設備具有改善傳統腎透析設備的作用(圖1)。研究人員還開發了一種肝生物復合器官(圖2)。德雷珀實驗室(即脫胎于原MIT儀器實驗室的Charles Stark Draper Laboratories)的科學家正在進行一種微流體器件的研究，該器件1mm厚、25cm2大小，研究的最終目的是在一個芯片上生成一個完整肝。另外，麻省理工學院(MIT)的研究人員正與J.P. Sercel Associates公司一道進行細胞保有絞刑架的研究，該絞刑架由激光加工的聚合體構成(由聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚酰亞胺合成)。這些絞刑架有極細的通道和孔隙，研究人員利用它們也許有一天能在一個芯片上制成一個肝臟。



在匹茲堡大學的McGowan再生醫學院，正在開發一個生物合成肺以模擬人體正常肺的呼吸功能。該MEMS裝置交織著含有空氣或血液的微通道。這些微通道由細隔膜分開，細隔膜模擬正常肺的肺泡壁功能。

當然，作為最重要器官的心臟也不會被遺忘。例如，有些生物合成器官能起著繃帶的功能，它們能修復不健康人體心臟病變的部分。在MIT，研究人員計劃開始用于心臟組織構造的動物實驗，他們將其稱為“收縮修補”，以替代受損的心臟組織。對完全可植入心臟的開發研究仍在繼續。

眼和耳也將從中受益

人造眼和人造耳是最成功合成人體器官技術成就中的兩項；人造眼為視力殘障者和盲人帶來光明，人造耳為聽力受損者和聾人送去福音。實際上，已經進行了仿生眼和視網膜及耳蝸植入應用。

其中，一個雄心勃勃的項目有南加州大學的Doheny視網膜學院、Keck醫學院、Second Sight公司、德州儀器和美國國家實驗室的參與。這些組織正在試圖制造一個人造視網膜，該項目顯示出巨大前景。該研究隸屬美國能源部的人造視網膜計劃，由美國能源部資助。在一個5mm2的視網膜平臺上，裝入一個有60個電極的視網膜(圖3)。據信，它被認為是在單位面積內，有最高信道電極密度的人造視網膜。


美國空軍和VSX 公司部分資助了另一個雄心勃勃的視網膜修復項目，他們正在開發一種無需利用信號恢復部分視力、直接模擬眼睛內部視網膜運動的方法以為視力殘障者帶來光明。這一3 mm的芯片使佩戴者的視力恢復10%。猶他大學與橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Labs)及田納西州大學健康科學中心一道努力，同樣在向失明發起挑戰。MIT及日本和德國的一些大學也在從事類似研究。

仿生耳的研究可用一句話來概括：壯觀。密歇根大學已經開發出首例實體大小的MEMS可植入機械耳蝸。植入耳蝸是通過將不同頻率的信號發射給植入在耳蝸螺旋體(cochleal spiral)內的電極工作的。聽覺神經然后將這些信號傳送至大腦。為機械耳蝸增加的傳感器陣列有助于驅動植入耳蝸的電極。

為解決聽力障礙，NVE公司開發出巨型磁阻傳感器(GMR)，這些傳感器無需人工干預能自動調節助聽器的音量。這些電子自旋(spintronic)磁阻傳感器由Starkey Laboratories制造，他們利用電子的旋轉而不是充電來存儲信息。

喬治亞州技術研究學院向Peacock Communications公司轉讓了可佩帶配文技術，Peacock Communications提供一種其稱為COMMplements的軟件系統，它為失聰者送區福音。該軟件借助IEEE 802.11b無線傳輸能力，使失去聽力的移動用戶能方便訪問因特網，通過PDA為體育運動配上文字說明。

更好的疾病監護、診斷和早期預警

將疾病危害減至最小的途徑之一是采用更正確、有效的無創監護、診斷和早期預警幫助。與以往相比，通過無線RF成象，可吞服成象藥片為腸胃學家提供了更準確的小腸圖象(圖4)。



加拿大卡爾加里大學的研究人員采用MEMS技術制造了一只電子蚊子原型，稱作“e-mosquito，”這只電子蚊子模擬真體蚊子的吸血過程(圖5)。其目的是提供受控的連續刺激及編排插入人體皮膚內的微細針孔以抽取極少量的血液供以后做進一步分析。該設備為無線控制、無痛感、實時、半創血液分析和生理細胞核識別提供了一個全面和實用的解決方案。



正采用新DSP器件以進行更好的無創診斷。這里以加拿大Canamet公司的Piesometer MK-1便攜式血壓監測儀為例。它采用Atmel的Diopsis雙浮點超長指令字(VLIW)DSP及一片ARM微處理器，從而克服了傳統聽診法具有的限制。聽診法采用水銀血壓計及自動血壓設備中采用的振動測波(oscillometric)技術。Canamet的儀器支持自調節信號處理方法，其中包括：自調節干擾消除、帶通濾波和峰值識別算法。

可植入實驗室級器件，有時又稱作生物芯片，它在無創監測、診斷和控制方面最終將起著關鍵作用。許多這類器件是采用MEMS技術設計的。Affymetrix是最早推出這種生物芯片的公司之一，它早在1994年就推出了GeneChip(基因芯片)。安捷倫科技、Biosite、Cepheid、CombiMatrix、Nanogen和STMicroelectronics等公司此后相繼推出此類復雜平臺。這些生物芯片形成了一個巨大的分子電子學市場，在未來幾年內該市場將有長足發展。



生物芯片的發展催生了一門新學科?D?D生物信息學，需要該技術以處理來自實驗室級芯片和DNA芯片輸出的大量數據。處理這樣的信息需要融合計算機科學、數據庫技術和算法研究。例如，Affymetrix的GeneChip(圖6)就能說明這一狀況?D?D象這樣的一塊實驗室級芯片有大量的數據需要處理和分析。必須從這些巨量數據中析取出有用信息的要求對電子產業提出挑戰，也正是這些挑戰映射出信息技術發展中面臨的機遇。

在可植入領域之外，圣地亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的科學家在忙于一個5磅重手持便攜式醫療診斷設備的跟蹤研究，該設備能立即檢測出心臟和齒齦部位的病變(圖7)。



新技術同樣為殘疾人帶來福音

在修補和矯正器械方面同樣取得長足進展以改善殘疾人的生活質量。機器人手臂幫助上肢殘缺者重新獲得心手和諧；機器人假腿幫助下肢不全者走上新的生活之路；心臟植入術使癱瘓的人僅使用其心臟和該植入裝置就能操控人工手臂。

所有這些將為我們帶來怎樣的美好前景？微加工技術、納米技術、機器人和生物工程這些技術將協同合作以更迅速準確地診斷癌癥腫瘤。最重要的是，采用這些技術能在這些腫瘤引發大的病變前，將其徹底摧毀。華盛頓大學的一群研究人員正在為這一目標而努力。基于他們的研究成果，將能通過為病人注射自組納米粒子的手段治愈癌癥，這些粒子能發現早期癌變并能用藥物將這些小腫瘤包裹并摧毀。