把人體器官做成進(jìn)芯片？生物制造的未來離我們還有多遠(yuǎn)？

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什么叫生物制造？不是你想象的那種冷冰冰的工廠流水線，而是——用活細(xì)胞做原料，用培養(yǎng)基當(dāng)能源，讓生命體自己去“長”出東西來。你看，我們身體的傷口能自己愈合，鍛煉后肌肉會變強(qiáng)，這些再平常不過的事，背后藏著一個巨大的秘密：生物材料是活的，是能響應(yīng)、能適應(yīng)、能進(jìn)化的。更關(guān)鍵的是，這已經(jīng)不是實(shí)驗室里的小打小鬧了。中國、美國、歐盟、日本，全球主要經(jīng)濟(jì)體全都在押注生物制造，把它當(dāng)作下一個十年必須爭奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。為什么？因為它將重塑醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、材料甚至能源的底層邏輯。我們正在從“制造死的東西”邁向“培養(yǎng)活的東西”，這本書會讓你重新思考一個問題：下一場大國博弈的勝負(fù)手，會不會就藏在培養(yǎng)皿里？

談到未來產(chǎn)業(yè)的話題，你會想到什么？芯片？AI？還是商業(yè)航天、可控核聚變？等會兒，不都說“21世紀(jì)是生物的世紀(jì)”嗎，生物去哪了？

其實(shí)生物一直都在。不知道大家看沒看“十五五”規(guī)劃，里面“生物制造”四個字，跟具身智能、第六代移動通信這些詞列在同一張清單上，都是未來的支柱型產(chǎn)業(yè)。可以說，未來大國博弈的一大戰(zhàn)場，可能就在這條賽道里。

那這個“生物制造”到底是怎么一回事？

01

利用活細(xì)胞進(jìn)行制造

其實(shí)“生物制造”這四個字，兜的圈子挺大的。但是今天我們不聊那么多，我們只講最“顧名思義”的一個方向，用生物材料來制造物品，英文叫biofabrication。傳統(tǒng)制造是什么樣？用金屬、橡膠、塑料，材料是“死”的，那生物制造的好處就不言而喻了，造出來的東西是“活”的嘛。能感知環(huán)境、能響應(yīng)刺激、還能自我修復(fù)。你皮膚劃個口子，自己長好了；手機(jī)屏幕劃一下，一輩子在那兒。

其中特別值得說的，就是用哺乳動物的活細(xì)胞進(jìn)行制造。為什么？因為復(fù)雜，因為跟人體直接相關(guān)。

02

造點(diǎn)啥？

為什么要用哺乳動物的活細(xì)胞進(jìn)行制造？這跟要造的東西有關(guān)。造幾個桌子板凳，有用嗎？有，但不多。哪些可能很需要生物材料，又看起來更有價值？醫(yī)療和糧食。目前這個方向有很多件事在做：組織工程（人造組織）、類器官、細(xì)胞培養(yǎng)肉和皮革、生物混合機(jī)器人，等等。今天咱不貪多，重點(diǎn)聊一個——器官芯片。

03

器官芯片

器官芯片，英文是organ-on-a-chip。簡單地說，它就是一個器官模擬器——在幾平方厘米的一塊透明芯片上，模擬出人體器官的功能。

器官芯片是通過微流控技術(shù)在芯片硅基板上“挖”出一些“血管”通道（就有點(diǎn)電路那意思），再把不同的細(xì)胞放在芯片不同位置，形成一個特定功能導(dǎo)向的生理系統(tǒng)，不同細(xì)胞可以在各自獨(dú)立的腔室里培養(yǎng)。

雖然看起來很“不器官”，但是基本的結(jié)構(gòu)和功能都能模擬出來。給心臟芯片點(diǎn)刺激，就能讓它模擬心臟的搏動，或者灌點(diǎn)空氣和液體進(jìn)血管通道里，就可以模擬出肺的功能，甚至還有做出了血腦屏障功能的器官芯片。

圖中是一個典型的器官芯片照片。哈佛大學(xué)唐納德·英格伯團(tuán)隊（Donald E. Ingber）用患者自身的細(xì)胞，構(gòu)建了人類炎癥性腸病芯片，成功在體外模擬了關(guān)鍵的病理特征。[1]

器官芯片造出來有什么用呢？藥物篩選。

新藥研發(fā)實(shí)在是太燒錢了。

一種新藥從實(shí)驗室到上市，平均要花20億到30億美元，失敗率可能超過90%。經(jīng)過早期開發(fā)、動物試驗、臨床人體測試，還是有大量的藥無法獲得批準(zhǔn)上市，這實(shí)在是太耗錢，也太耗時間了。更何況往往很多藥在動物身上有效，到了人身上就翻車，畢竟動物模型并不是人類的完美模型，另外，還有動物倫理的顧慮。

器官芯片的思路就簡單多了，直接在“平替版”人體器官上試。直接模擬新的療法，不用繞路去找小白鼠。批量生產(chǎn)大量的芯片，還可以直接同時進(jìn)行高通量測試，試驗快、數(shù)據(jù)多、成本低。

其實(shí)器官芯片并不是一個新事物，已經(jīng)開發(fā)了很多年了。

2010年，哈佛大學(xué)唐納德·英格伯實(shí)驗室做了一個經(jīng)典的肺芯片——兩層微流控通道中間隔著一層多孔柔性膜，一側(cè)是肺泡上皮細(xì)胞，另一側(cè)是血管內(nèi)皮細(xì)胞，給培養(yǎng)室施加循環(huán)氣壓，讓膜做周期性的拉伸，來模擬呼吸時肺部的膨脹和收縮。[2]他們還通入二氧化硅納米顆粒，在肺芯片上重現(xiàn)了中毒的結(jié)果。

近年來，器官芯片的研發(fā)已經(jīng)有了巨大的進(jìn)展，各種技術(shù)的結(jié)合也非常豐富。東南大學(xué)梁戈玉、陳早早教授團(tuán)隊在2024年開發(fā)了一款心臟類器官芯片，在體外實(shí)時、可視化地對微納米塑料顆粒進(jìn)入心臟并發(fā)揮毒性的全過程進(jìn)行了長期追蹤，相當(dāng)于搭建了一個體外心臟毒性評估平臺。[3]

除了快，還能有“定制服務(wù)”。

麥吉爾大學(xué)和哈佛大學(xué)的團(tuán)隊合作完成了一項實(shí)驗。他們從8名食管癌患者身上采集腫瘤樣本，在USB大小的芯片上培養(yǎng)出每位患者獨(dú)有的“腫瘤替身”，同時模擬了血流和結(jié)締組織環(huán)境。隨后在芯片上測試不同化療藥物。結(jié)果顯示，僅僅4至6周內(nèi)即可判斷藥物的有效性，且芯片上的結(jié)果與患者的臨床治療反應(yīng)完全吻合。

全世界很多地方都在推進(jìn)相關(guān)研究，個性化治療癌癥也許不會太遠(yuǎn)。

正因為已經(jīng)開發(fā)多年，器官芯片現(xiàn)在正可能到了開花結(jié)果的時候。

器官芯片內(nèi)儲存著循環(huán)化療藥物（來源：McGill University Health Centre）

04

商業(yè)化有多遠(yuǎn)？

器官芯片這個賽道，全球都在搶。中國起步不晚，近兩年的布局尤其密集。

2026年發(fā)布的“十五五”規(guī)劃綱要，將類器官與器官芯片技術(shù)直接寫入專欄8“前沿科技攻關(guān)”，近年來的各項研究計劃層出不窮。

標(biāo)準(zhǔn)化的步子也很快。2024年11月，東南大學(xué)顧忠澤教授團(tuán)隊牽頭完成了我國首個器官芯片領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)《皮膚芯片通用技術(shù)要求》，2026年4月30日，第二個國標(biāo)《血管芯片通用技術(shù)要求》（GB/T 47486—2026）發(fā)布，其他類型器官芯片的國家標(biāo)準(zhǔn)隨著研究和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，估計也會陸續(xù)出來。

產(chǎn)業(yè)化也在迅速擴(kuò)張，基礎(chǔ)設(shè)施也搭起來了，錢也涌了進(jìn)來，2022年中國類器官與器官芯片行業(yè)融資總額接近4億元。從國家戰(zhàn)略到融資落地，從國標(biāo)出臺到監(jiān)管鋪路，器官芯片在中國已經(jīng)不只是實(shí)驗室里的事了。

05

生物制造未來

總而言之，生物制造就像是人對大自然本身的一項逆向工程，它非常契合可持續(xù)發(fā)展的要求。在醫(yī)療、糧食、建筑、公共安全等領(lǐng)域，可能會帶來巨大的變革。

今天聊的這些內(nèi)容，很多出自麻省理工學(xué)院瑞圖·拉曼教授的一本書Biofabrication,也出版了中文版，叫《生物制造》。書不厚，兩百來頁，把生物制造（主要是哺乳動物活細(xì)胞）是什么、能干什么、面臨什么問題講得很清楚。如果對這門技術(shù)感興趣，這本書值得翻翻。

參考資料：

[1] ?ZKAN A, MERRY G E, CHOU D B, et al. Human inflammatory bowel disease-on-a-chip for modelling disease progression, cancer initiation and sex-specific effects [J]. Nature Biomedical Engineering, 2026,

[2] HUH D, MATTHEWS B D, MAMMOTO A, et al. Reconstituting Organ-Level Lung Functions on a Chip [J]. Science, 2010, 328(5986): 1662–8.

[3] ZHANG T, YANG S, GE Y, et al. Unveiling the Heart’s Hidden Enemy: Dynamic Insights into Polystyrene Nanoplastic-Induced Cardiotoxicity Based on Cardiac Organoid-on-a-Chip [J]. ACS Nano, 2024, 18(45): 31569–85.