01 / 導讀
導讀
引用
Birla, R. (2014). Introduction to Tissue Engineering: Applications and Challenges. Wiley-IEEE Press.
章節概要
本書是一部單一作者的教材，共九章，約360頁，屬於 IEEE Press Series on Biomedical Engineering 叢書。卷首附有縮略語表和「重要術語與概念」一節。每章以編號的學習目標和本章概覽開篇，以小結、練習題和參考文獻收尾。前六章建立總體框架及其支撐技術，後三章把這一框架應用到三個器官上。
第1章：組織工程導論
本章為全書搭建框架。它從供體器官長期短缺談起，引用美國腎臟和肝臟移植等待名單的資料，再通過心血管方面的例子介紹組織工程的範式。本章比較了美國國家科學基金會（NSF）、尤金·貝爾以及瓦坎蒂與蘭格對組織工程的定義，然後給出作者自己的定義。核心內容是製造三維人工組織的八步流程：細胞來源、生物材料合成、基因操作、支架細胞化、嵌入感測器、生物反應器、血管化和體內評估。隨後，本章把組織製造看作一個設計問題，有可控的輸入和可測量的輸出，提出三大基本構件，並列出每一步尚未解決的問題。後面幾節討論評價人工組織的指標、奠基性論文（尤其是羅伯特·蘭格的工作）、三維組織在移植之外的用途、二維與三維培養的比較、該領域的發展，以及組織工程與基因治療、細胞移植、再生醫學等相關領域的區別。
第2章：用於組織工程的細胞
這是一章寫給工科學生的細胞生物學：細胞結構與功能、細胞外基質、細胞訊號傳導和細胞連接。隨後轉向細胞來源、細胞移植（其過程、所用細胞及作用方式）以及細胞培養過程，並把單層二維培養與組織工程加以對比。本章最後介紹幹細胞工程，涵蓋人胚胎幹細胞、誘導多能幹細胞和成體幹細胞。
第3章：用於組織工程的生物材料
本章給出生物材料的定義，提出一套開發生物材料的方案，並簡述該領域的歷史。內容包括拉伸性能及其調控、材料降解和生物相容性，然後對生物材料分類，概述生物材料平臺、仿生材料和智慧材料，以及作為模型的細胞外基質，最後歸納理想生物材料應具備的性質。
第4章：組織製造技術
本章概述把細胞組裝成組織的各種方法：自組織、細胞片層工程、基於支架的製造、細胞與器官列印、實體自由成形制造、軟光刻與微流控，以及細胞圖案化。最後描述一個支持組織製造的理想系統。
第5章：人工組織的血管化
這是全書對單個製造步驟討論最詳細的一章。它先從生物學講起（血管生成研究的奠基性成果，以及血管發生、血管新生和動脈生成的分子機制），再講治療性血管新生。隨後建立人工組織血管化的概念框架，綜述體內模型，並提出一個附有決策流程圖的理想策略。各種策略被分為生物複製型、生物介導型和生物啟發型三類。
第6章：用於組織工程的生物反應器
本章定義並分類生物反應器，討論設計考量，並給出理想的生物反應器系統。隨後介紹用於哺乳動物細胞培養、支架製造和支架細胞化的生物反應器，再講灌注系統、機械拉伸和電刺激。
第7章：氣管組織工程
三個器官章節中的第一章，按共同的模式展開：氣管的結構與功能、臨床問題（先天性狹窄以及插管後或氣管切開後的狹窄）、其遺傳調控和現有療法，然後是設計考量、人工氣管的生物工程製造過程、實驗模型，以及兩項臨床研究。
第8章：膀胱組織工程
以同樣的模式討論膀胱：結構與功能、神經源性膀胱功能障礙、外科膀胱擴大術和膀胱發育，然後是設計考量和製造過程。本章分節比較了基於細胞片層、小腸黏膜下層、PLGA 支架、脫細胞移植物和器官模型的方法，最後介紹一項臨床研究。
第9章：肝臟組織工程
最後一章討論肝臟的結構與功能、急性肝衰竭、肝移植、肝再生和肝發育，然後是設計考量和製造人工肝組織的過程。本章把前面各章的支撐技術（幹細胞、表面圖案化、生物材料平臺、三維製造、血管化和生物反應器）逐一應用到肝臟上，最後以球體培養收尾。
核心概念
第1章：組織工程導論
- 八步製造流程：全書的組織原則，從細胞來源一直到體內評估。
- 作為製造的組織工程：一個有可控輸入（細胞數量和類型、纖維組成、孔隙率）和預先設定的輸出指標的過程。
- 基本構件：細胞是功能成分，生物材料是結構成分，生物反應器在成熟過程中提供引導。
- 性能指標：功能、生物學和組織學三類指標，以天然組織為參照來評判。
第2–3章：細胞；生物材料
- 細胞來源：在原代細胞和各類幹細胞（胚胎、誘導多能、成體）之間作選擇，並決定如何擴增和誘導分化。
- 細胞移植與組織工程：單獨遞送細胞，與製造三維構建體相比較。
- 生物相容性與降解：材料如何與宿主相互作用，以及如何隨時間降解。
- 理想生物材料：用來比較天然材料、合成材料和智慧材料的目標性質。
第4–6章：製造技術；血管化；生物反應器
- 無支架製造與基於支架的製造：自組織和細胞片層，對比在支架上接種細胞、列印和自由成形制造。
- 血管發生、血管新生、動脈生成：血管形成的三條途徑，也是血管化策略的基礎。
- 生物反應器刺激：用灌注、拉伸和電刺激來引導組織成熟。
第7–9章：氣管；膀胱；肝臟
- 設計考量：從器官的結構、功能和疾病推導人工器官的要求。
- 臨床轉化：書中介紹的氣管和膀胱臨床研究，被用作對製造流程的檢驗。
評析
優點
- 統一的單一框架。 本書由一位作者為教學而寫，第1章的八步流程貫穿全書。作者曾指出，多人合編的文集各章不一致，難以用於教學；本書避免了這個問題。
- 為課程而設計。 每章都有學習目標、概覽、小結和練習題，卷首有術語一節，出版社還列出了教師用投影片，便於直接指定為課程教材。第1章的練習題不只要求記憶，也要求推理，例如讓學生為八步流程再增加兩步並說明理由。
- 工程化的視角。 第1章的設計變量思路，以及第3–6章描述「理想」系統的各節，讓學生可以對照明確的要求來評價任何方法。
- 應用框架的器官章節。 第7–9章都從臨床需求出發，經過設計考量走到製造過程，氣管和膀胱兩章還延伸到臨床研究，展示了一般步驟在真實器官上如何落地。
局限
- 八個步驟的篇幅不均。 細胞、生物材料、血管化和生物反應器各有專章，但從目錄看，基因操作、嵌入感測器和體內評估都沒有獨立的章節。
- 只有三個器官。 皮膚、軟骨、骨和心臟組織（作者本人的研究領域）在第1章中被提到是活躍的方向，但沒有專章。出版社的介紹提到案例研究、關於未來方向的一節以及對心律調節器和假體的討論，但這些都沒有作為小節出現在目錄中；索引中的「心臟心律調節器」只出現在生物反應器一章討論電刺激的部分。
- 內容較舊。 本書出版於2014年，此後沒有修訂，因此缺少類器官、生物列印和臨床轉化方面的後續進展。
- 定量傳遞內容很少。 從各節標題看，討論以概念和生物學為主；厚構建體中的傳質限制沒有作為單獨的主題。
在課程中的定位
本書很適合作為這門課的第一本教材。喬納森·斯拉克的 Stem Cells: A Very Short Introduction 是一本簡短、非技術性的幹細胞生物學與療法讀物；在讀第2章之前或同時閱讀，可以補足本書只用幾節交代的生物學背景。范布利特斯維克與德博爾主編的 Tissue Engineering 是一部約750頁、多位作者合寫的教材，以更大的深度、針對多得多的組織討論同樣的基礎內容（細胞、生物材料、支架、生物反應器），並以生產製造和臨床轉化收尾，是讀完本書之後合理的第二本書。
蘭扎、蘭格、瓦坎蒂和阿塔拉的 Principles of Tissue Engineering 是由該領域領軍人物編寫的大型參考書，適合在熟悉本書框架之後用來查閱特定組織或技術。揚納斯的 Tissue and Organ Regeneration in Adults 是一部聚焦於皮膚和周邊神經的誘導再生以及支架設計的專著，適合想深入第3–4章支架問題的學生。
如何使用本書
本書適合生物醫學工程或生命科學專業的大學部學生以及剛入學的研究生。具備入門的細胞生物學和生理學知識會有幫助；所需的細胞生物學在第2章中有複習，幾乎不需要數學。
一學期課程的實用安排：
- 核心： 完整閱讀第1章，因為後面每一章都會回到八步流程和三大構件。然後依次閱讀討論三大構件的第2、3、6章。
- 製造與血管化： 第4章和第5章。第5章因涉及分子生物學可能較難，重點是掌握其中的決策流程圖。
- 應用： 從第7–9章中選一到兩章細讀，或者把不同器官分配給不同小組。對每個器官列出設計考量，與八個步驟逐一對照，並注意臨床研究實際解決了哪些步驟。
把每章開頭的學習目標當作檢查清單，用練習題來複習。由於沒有專章的步驟（基因操作、感測器、體內評估）和近年的進展只是簡要涉及，建議配合綜述文章或范布利特斯維克與德博爾書中的相關章節一起閱讀。