航天科技助力人類醫療健康

文/ 許元男

▲ 航天員正在對培育血管試驗進行監測

今年農歷新年前后，新冠肺炎疫情牽動著全國各族人民的心，也深刻影響了人們的生產與生活。在這段共克時艱的日子里，大家都期待著現代醫學能夠提供高效的藥物和醫療器械來幫助患者的診治。其實，航天科技與醫療健康密不可分。那么，航天科技有哪些醫療成果？未來又有什么新的航天+醫療的科技值得期待呢？

航天與醫療融合發展

1970年，贊比亞尤肯達修女曾給美國宇航局寫信，問道：目前地球上還有這么多小孩子吃不上飯，美國宇航局怎么舍得為遠在火星的項目花費數十億美元？隨后美國宇航局的科研人員給她回復道：太空探索不僅僅給人類提供一面審視自己的鏡子，它還能給我們帶來全新的技術、全新的挑戰和進取精神，以及面對嚴峻現實問題時依然樂觀自信的心態。

時至今日，我們日常經常用到的尿不濕、濃縮果汁、太陽鏡、CT檢查、水凈化器都始于航天科技的需求和發展。隨著醫學技術的發展，臨床醫學、醫療器械與理工學科的交叉融合發展，已經成為醫學創新的主要方向之一。航天醫學作為特種醫學，對發展載人航天事業起到重要的保障作用，航天醫學的發展也極大推動了整個醫學技術的發展。航天醫學保障航天員健康的方法、藥物和器械，很多已用于解決普通人群的相關健康問題。

醫學與生物研究是當前太空實驗的重點，也是國際空間站尋找合作伙伴的首選項目。美國和俄羅斯在國際空間站實驗艙的科研項目中，醫學與生物研究分別占到43%和32%。而生物工程也是另一重點領域，例如研究、制備在醫學、生物學和藥物學方面有潛在應用價值的生物材料，如微生物、細菌、植物細胞和動物胚胎中的蛋白質晶體。

已有成果非常豐碩

隨著地面應用場景的不同，不少太空科技已轉化成不同的藥物和醫療器械，為人類疾病的診治帶來了許多便利。

在失重環境中，航天員面臨著骨質疏松的風險，所以航天員每天都需要進行體能鍛煉，還需要每周攝入少量的二磷酸鹽。后來發現，類似這樣的藥物同樣讓面臨骨質疏松風險的中老年人受益。

半透明多晶氧化鋁，屬于高強度、高透明度的陶瓷材料，最初應用于航空航天領域，后來科研人員發現可以將這種材料應用于透明牙套領域，現在它已成為最成功的牙齒矯正產品材料。

國際空間站的機械臂是國際空間站上搬運重物、飛船對接和日常維護工作的有力幫手，可以輔助或替代航天員開展高難度、高危險的工作。受這項技術的啟發，人們研發出了醫療領域的機械手臂，用于去除腦部腫瘤等精密手術，其精準和專業程度完全不亞于經驗豐富的外科醫生。

▲ 肯尼亞修女給美國宇航局的信

▲ 航天員測試呼吸檢測儀

▲ 航天員在國際空間站上跑步鍛煉

▲ 加拿大機械臂

太空中的失重環境會改變人類眼睛移動和感知運動的方式，航天員在天上待的時間長了，往往無法靈活地像地面一樣控制眼睛看向想看的地方，高科技眼動儀很好地解決了這個問題。現在眼動儀也被用在激光眼科校正手術中，以確保激光束的準確定位，以實現對患者的眼部進行實時、準確跟蹤，并在不需要外科醫生的介入情況下，精確地指揮激光手術刀。

我們在呼吸時會釋放一些一氧化氮微粒，當一個人呼吸道發炎時，呼氣中的一氧化氮含量會增加。為了發現航天員的潛在炎癥，歐空局研發了一種可以準確測量一氧化氮含量的儀器。目前這項技術已被用于哮喘病人的診治。

太空的失重環境使航天員患腎結石的風險加大，而且一旦在太空形成腎結石，會誘發感染和并發癥，威脅航天員健康，影響太空任務完成。美國宇航局研發出一種手持式超聲波裝置，可以檢測、移動、粉碎結石，使它們更容易排出體外。這項技術給地球上眾多的腎結石患者帶來了福音。

▲ 可打印出微型人造心臟的3D生物打印機

太空中的水資源極其寶貴，為此科研人員研發出高效而安全的凈水循環處理技術。這項技術也可以用來從透析液中去除有毒廢物，于是誕生了透析機，幫助了許多重病病人的治療。

過去十幾年，一組科學家跟蹤航天員，研究他們在太空中是如何抓緊物體的。通過航天員抓取小物體的練習數據，分析失重環境里的生活如何影響他們的抓握能力。航天員們在進行靈巧性測試實驗時，會手握一個特制傳感器，睜開眼睛，然后閉上，以評估身體如何適應沒有向上或向下的環境。這些實驗結果幫助科研工作者為殘疾人設計了更為靈巧的假肢。

未來發展值得期待

干細胞生物學是21世紀引人矚目的研究領域之一，是組織工程和再生醫學研究的上游學科。干細胞的重要功能是維持和控制細胞的再生能力，它具有自我更新復制能力和多分化潛能，它可分化為多種組織細胞類型。科學家們已經利用航天科技，分析在空間失重環境下的干細胞的增殖與分化情況，研究利用空間微重力獨特的條件下干細胞如何進行大規模擴增和組織工程構建。

國外的科學家還準備基于人類干細胞，使用3D生物打印技術開發太空人造微型心臟，然后這些心臟組織結構將被發送到國際空間站，以深入了解微重力如何影響人類心臟的功能。科研人員希望這將有助于更好地理解心臟萎縮——這是一種心臟組織的減少和弱化，導致向身體泵血困難。而失重環境會導致這樣的問題，可以很好地模擬虛弱的心肌導致的暈厥、心律不齊、心臟瓣膜病，甚至心力衰竭問題。心臟萎縮及相關疾病是目前醫學界的重要課題之一，患有糖尿病、肌肉營養不良和癌癥以及敗血癥和充血性心力衰竭等疾病的人，常會出現心臟功能障礙和組織損傷。

▲ 歐空局在國際空間站培育血管的設備

我國的科學家同樣不遑多讓。2017年4月，我國天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室成功對接，不僅完成了送貨任務，還搭載了不少科學實驗。其中一項實驗就是“微重力環境下胚胎干細胞培養實驗”，通過普通光合熒光顯微成像技術觀察干細胞在太空中增殖和分化過程，并通過細胞熒光信號強度變化以及細胞的形態變化特征，判斷小鼠胚胎干細胞在太空失重環境下多潛能基因的自我更新和細胞分化情況。

▲ 牙齒矯正材料

此外，地球上由于重力的作用，細胞一般沉降到培養皿的底部，而難以像人體內細胞一樣自組織起來并形成像血管這樣的結構。而通過國際空間站上的實驗，科學家發現，在失重環境中，血管中的細胞則會以類似于人體內細胞的方式組織起來，形成為簡單的三維結構。科學家表示，這些管狀的聚集體就像原始的血管，這是在地球上培養細胞之前從未實現的。如果能夠利用人類細胞中培養出人造血管，將具有治療多種疾病的巨大潛力，不僅可以將其用于外科手術，幫助需要移植的患者替換受損的血管，還可以增進我們對一系列與血管有關疾病以及失重對人體影響的了解。

以往國際空間站承擔了大部分的空間試驗任務，而未來我們中國自己的空間站也會發射升空，其規劃部署了密封艙內的16臺科學實驗柜、艙外暴露實驗平臺以及共軌飛行的實驗艙，可以支持在軌實施天文、生命科學、生物技術、航天醫學、空間物理等方向的科學研究與應用項目。2019年6月12日，中國空間站第一批空間科學實驗國際合作項目入選結果正式公布，共有17個國家、23個實體的9個項目成功入選，入選項目內容涵蓋了上述前沿科學領域。