01 / 导读
导读
引用
Birla, R. (2014). Introduction to Tissue Engineering: Applications and Challenges. Wiley-IEEE Press.
章节概要
本书是一部单一作者的教材，共九章，约360页，属于 IEEE Press Series on Biomedical Engineering 丛书。卷首附有缩略语表和“重要术语与概念”一节。每章以编号的学习目标和本章概览开篇，以小结、练习题和参考文献收尾。前六章建立总体框架及其支撑技术，后三章把这一框架应用到三个器官上。
第1章：组织工程导论
本章为全书搭建框架。它从供体器官长期短缺谈起，引用美国肾脏和肝脏移植等待名单的数据，再通过心血管方面的例子介绍组织工程的范式。本章比较了美国国家科学基金会（NSF）、尤金·贝尔以及瓦坎蒂与兰格对组织工程的定义，然后给出作者自己的定义。核心内容是制造三维人工组织的八步流程：细胞来源、生物材料合成、基因操作、支架细胞化、嵌入传感器、生物反应器、血管化和体内评估。随后，本章把组织制造看作一个设计问题，有可控的输入和可测量的输出，提出三大基本构件，并列出每一步尚未解决的问题。后面几节讨论评价人工组织的指标、奠基性论文（尤其是罗伯特·兰格的工作）、三维组织在移植之外的用途、二维与三维培养的比较、该领域的发展，以及组织工程与基因治疗、细胞移植、再生医学等相关领域的区别。
第2章：用于组织工程的细胞
这是一章写给工科学生的细胞生物学：细胞结构与功能、细胞外基质、细胞信号传导和细胞连接。随后转向细胞来源、细胞移植（其过程、所用细胞及作用方式）以及细胞培养过程，并把单层二维培养与组织工程加以对比。本章最后介绍干细胞工程，涵盖人胚胎干细胞、诱导多能干细胞和成体干细胞。
第3章：用于组织工程的生物材料
本章给出生物材料的定义，提出一套开发生物材料的方案，并简述该领域的历史。内容包括拉伸性能及其调控、材料降解和生物相容性，然后对生物材料分类，概述生物材料平台、仿生材料和智能材料，以及作为模型的细胞外基质，最后归纳理想生物材料应具备的性质。
第4章：组织制造技术
本章概述把细胞组装成组织的各种方法：自组织、细胞片层工程、基于支架的制造、细胞与器官打印、实体自由成形制造、软光刻与微流控，以及细胞图案化。最后描述一个支持组织制造的理想系统。
第5章：人工组织的血管化
这是全书对单个制造步骤讨论最详细的一章。它先从生物学讲起（血管生成研究的奠基性成果，以及血管发生、血管新生和动脉生成的分子机制），再讲治疗性血管新生。随后建立人工组织血管化的概念框架，综述体内模型，并提出一个附有决策流程图的理想策略。各种策略被分为生物复制型、生物介导型和生物启发型三类。
第6章：用于组织工程的生物反应器
本章定义并分类生物反应器，讨论设计考量，并给出理想的生物反应器系统。随后介绍用于哺乳动物细胞培养、支架制造和支架细胞化的生物反应器，再讲灌注系统、机械拉伸和电刺激。
第7章：气管组织工程
三个器官章节中的第一章，按共同的模式展开：气管的结构与功能、临床问题（先天性狭窄以及插管后或气管切开后的狭窄）、其遗传调控和现有疗法，然后是设计考量、人工气管的生物工程制造过程、实验模型，以及两项临床研究。
第8章：膀胱组织工程
以同样的模式讨论膀胱：结构与功能、神经源性膀胱功能障碍、外科膀胱扩大术和膀胱发育，然后是设计考量和制造过程。本章分节比较了基于细胞片层、小肠黏膜下层、PLGA 支架、脱细胞移植物和器官模型的方法，最后介绍一项临床研究。
第9章：肝脏组织工程
最后一章讨论肝脏的结构与功能、急性肝衰竭、肝移植、肝再生和肝发育，然后是设计考量和制造人工肝组织的过程。本章把前面各章的支撑技术（干细胞、表面图案化、生物材料平台、三维制造、血管化和生物反应器）逐一应用到肝脏上，最后以球体培养收尾。
核心概念
第1章：组织工程导论
- 八步制造流程：全书的组织原则，从细胞来源一直到体内评估。
- 作为制造的组织工程：一个有可控输入（细胞数量和类型、纤维组成、孔隙率）和预先设定的输出指标的过程。
- 基本构件：细胞是功能成分，生物材料是结构成分，生物反应器在成熟过程中提供引导。
- 性能指标：功能、生物学和组织学三类指标，以天然组织为参照来评判。
第2–3章：细胞；生物材料
- 细胞来源：在原代细胞和各类干细胞（胚胎、诱导多能、成体）之间作选择，并决定如何扩增和诱导分化。
- 细胞移植与组织工程：单独递送细胞，与制造三维构建体相比较。
- 生物相容性与降解：材料如何与宿主相互作用，以及如何随时间降解。
- 理想生物材料：用来比较天然材料、合成材料和智能材料的目标性质。
第4–6章：制造技术；血管化；生物反应器
- 无支架制造与基于支架的制造：自组织和细胞片层，对比在支架上接种细胞、打印和自由成形制造。
- 血管发生、血管新生、动脉生成：血管形成的三条途径，也是血管化策略的基础。
- 生物反应器刺激：用灌注、拉伸和电刺激来引导组织成熟。
第7–9章：气管；膀胱；肝脏
- 设计考量：从器官的结构、功能和疾病推导人工器官的要求。
- 临床转化：书中介绍的气管和膀胱临床研究，被用作对制造流程的检验。
评析
优点
- 统一的单一框架。 本书由一位作者为教学而写，第1章的八步流程贯穿全书。作者曾指出，多人合编的文集各章不一致，难以用于教学；本书避免了这个问题。
- 为课程而设计。 每章都有学习目标、概览、小结和练习题，卷首有术语一节，出版社还列出了教师用幻灯片，便于直接指定为课程教材。第1章的练习题不只要求记忆，也要求推理，例如让学生为八步流程再增加两步并说明理由。
- 工程化的视角。 第1章的设计变量思路，以及第3–6章描述“理想”系统的各节，让学生可以对照明确的要求来评价任何方法。
- 应用框架的器官章节。 第7–9章都从临床需求出发，经过设计考量走到制造过程，气管和膀胱两章还延伸到临床研究，展示了一般步骤在真实器官上如何落地。
局限
- 八个步骤的篇幅不均。 细胞、生物材料、血管化和生物反应器各有专章，但从目录看，基因操作、嵌入传感器和体内评估都没有独立的章节。
- 只有三个器官。 皮肤、软骨、骨和心脏组织（作者本人的研究领域）在第1章中被提到是活跃的方向，但没有专章。出版社的介绍提到案例研究、关于未来方向的一节以及对起搏器和假体的讨论，但这些都没有作为小节出现在目录中；索引中的“心脏起搏器”只出现在生物反应器一章讨论电刺激的部分。
- 内容较旧。 本书出版于2014年，此后没有修订，因此缺少类器官、生物打印和临床转化方面的后续进展。
- 定量传递内容很少。 从各节标题看，讨论以概念和生物学为主；厚构建体中的传质限制没有作为单独的主题。
在课程中的定位
本书很适合作为这门课的第一本教材。乔纳森·斯拉克的 Stem Cells: A Very Short Introduction 是一本简短、非技术性的干细胞生物学与疗法读物；在读第2章之前或同时阅读，可以补足本书只用几节交代的生物学背景。范布利特斯维克与德博尔主编的 Tissue Engineering 是一部约750页、多位作者合写的教材，以更大的深度、针对多得多的组织讨论同样的基础内容（细胞、生物材料、支架、生物反应器），并以生产制造和临床转化收尾，是读完本书之后合理的第二本书。
兰扎、兰格、瓦坎蒂和阿塔拉的 Principles of Tissue Engineering 是由该领域领军人物编写的大型参考书，适合在熟悉本书框架之后用来查阅特定组织或技术。扬纳斯的 Tissue and Organ Regeneration in Adults 是一部聚焦于皮肤和周围神经的诱导再生以及支架设计的专著，适合想深入第3–4章支架问题的学生。
如何使用本书
本书适合生物医学工程或生命科学专业的本科生以及刚入学的研究生。具备入门的细胞生物学和生理学知识会有帮助；所需的细胞生物学在第2章中有复习，几乎不需要数学。
一学期课程的实用安排：
- 核心： 完整阅读第1章，因为后面每一章都会回到八步流程和三大构件。然后依次阅读讨论三大构件的第2、3、6章。
- 制造与血管化： 第4章和第5章。第5章因涉及分子生物学可能较难，重点是掌握其中的决策流程图。
- 应用： 从第7–9章中选一到两章细读，或者把不同器官分配给不同小组。对每个器官列出设计考量，与八个步骤逐一对照，并注意临床研究实际解决了哪些步骤。
把每章开头的学习目标当作检查清单，用练习题来复习。由于没有专章的步骤（基因操作、传感器、体内评估）和近年的进展只是简要涉及，建议配合综述文章或范布利特斯维克与德博尔书中的相关章节一起阅读。