航天科技助力人类医疗健康

文/ 许元男

▲ 航天员正在对培育血管试验进行监测

今年农历新年前后，新冠肺炎疫情牵动着全国各族人民的心，也深刻影响了人们的生产与生活。在这段共克时艰的日子里，大家都期待着现代医学能够提供高效的药物和医疗器械来帮助患者的诊治。其实，航天科技与医疗健康密不可分。那么，航天科技有哪些医疗成果？未来又有什么新的航天+医疗的科技值得期待呢？

航天与医疗融合发展

1970年，赞比亚尤肯达修女曾给美国宇航局写信，问道：目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭，美国宇航局怎么舍得为远在火星的项目花费数十亿美元？随后美国宇航局的科研人员给她回复道：太空探索不仅仅给人类提供一面审视自己的镜子，它还能给我们带来全新的技术、全新的挑战和进取精神，以及面对严峻现实问题时依然乐观自信的心态。

时至今日，我们日常经常用到的尿不湿、浓缩果汁、太阳镜、CT检查、水净化器都始于航天科技的需求和发展。随着医学技术的发展，临床医学、医疗器械与理工学科的交叉融合发展，已经成为医学创新的主要方向之一。航天医学作为特种医学，对发展载人航天事业起到重要的保障作用，航天医学的发展也极大推动了整个医学技术的发展。航天医学保障航天员健康的方法、药物和器械，很多已用于解决普通人群的相关健康问题。

医学与生物研究是当前太空实验的重点，也是国际空间站寻找合作伙伴的首选项目。美国和俄罗斯在国际空间站实验舱的科研项目中，医学与生物研究分别占到43%和32%。而生物工程也是另一重点领域，例如研究、制备在医学、生物学和药物学方面有潜在应用价值的生物材料，如微生物、细菌、植物细胞和动物胚胎中的蛋白质晶体。

已有成果非常丰硕

随着地面应用场景的不同，不少太空科技已转化成不同的药物和医疗器械，为人类疾病的诊治带来了许多便利。

在失重环境中，航天员面临着骨质疏松的风险，所以航天员每天都需要进行体能锻炼，还需要每周摄入少量的二磷酸盐。后来发现，类似这样的药物同样让面临骨质疏松风险的中老年人受益。

半透明多晶氧化铝，属于高强度、高透明度的陶瓷材料，最初应用于航空航天领域，后来科研人员发现可以将这种材料应用于透明牙套领域，现在它已成为最成功的牙齿矫正产品材料。

国际空间站的机械臂是国际空间站上搬运重物、飞船对接和日常维护工作的有力帮手，可以辅助或替代航天员开展高难度、高危险的工作。受这项技术的启发，人们研发出了医疗领域的机械手臂，用于去除脑部肿瘤等精密手术，其精准和专业程度完全不亚于经验丰富的外科医生。

▲ 肯尼亚修女给美国宇航局的信

▲ 航天员测试呼吸检测仪

▲ 航天员在国际空间站上跑步锻炼

▲ 加拿大机械臂

太空中的失重环境会改变人类眼睛移动和感知运动的方式，航天员在天上待的时间长了，往往无法灵活地像地面一样控制眼睛看向想看的地方，高科技眼动仪很好地解决了这个问题。现在眼动仪也被用在激光眼科校正手术中，以确保激光束的准确定位，以实现对患者的眼部进行实时、准确跟踪，并在不需要外科医生的介入情况下，精确地指挥激光手术刀。

我们在呼吸时会释放一些一氧化氮微粒，当一个人呼吸道发炎时，呼气中的一氧化氮含量会增加。为了发现航天员的潜在炎症，欧空局研发了一种可以准确测量一氧化氮含量的仪器。目前这项技术已被用于哮喘病人的诊治。

太空的失重环境使航天员患肾结石的风险加大，而且一旦在太空形成肾结石，会诱发感染和并发症，威胁航天员健康，影响太空任务完成。美国宇航局研发出一种手持式超声波装置，可以检测、移动、粉碎结石，使它们更容易排出体外。这项技术给地球上众多的肾结石患者带来了福音。

▲ 可打印出微型人造心脏的3D生物打印机

太空中的水资源极其宝贵，为此科研人员研发出高效而安全的净水循环处理技术。这项技术也可以用来从透析液中去除有毒废物，于是诞生了透析机，帮助了许多重病病人的治疗。

过去十几年，一组科学家跟踪航天员，研究他们在太空中是如何抓紧物体的。通过航天员抓取小物体的练习数据，分析失重环境里的生活如何影响他们的抓握能力。航天员们在进行灵巧性测试实验时，会手握一个特制传感器，睁开眼睛，然后闭上，以评估身体如何适应没有向上或向下的环境。这些实验结果帮助科研工作者为残疾人设计了更为灵巧的假肢。

未来发展值得期待

干细胞生物学是21世纪引人瞩目的研究领域之一，是组织工程和再生医学研究的上游学科。干细胞的重要功能是维持和控制细胞的再生能力，它具有自我更新复制能力和多分化潜能，它可分化为多种组织细胞类型。科学家们已经利用航天科技，分析在空间失重环境下的干细胞的增殖与分化情况，研究利用空间微重力独特的条件下干细胞如何进行大规模扩增和组织工程构建。

国外的科学家还准备基于人类干细胞，使用3D生物打印技术开发太空人造微型心脏，然后这些心脏组织结构将被发送到国际空间站，以深入了解微重力如何影响人类心脏的功能。科研人员希望这将有助于更好地理解心脏萎缩——这是一种心脏组织的减少和弱化，导致向身体泵血困难。而失重环境会导致这样的问题，可以很好地模拟虚弱的心肌导致的晕厥、心律不齐、心脏瓣膜病，甚至心力衰竭问题。心脏萎缩及相关疾病是目前医学界的重要课题之一，患有糖尿病、肌肉营养不良和癌症以及败血症和充血性心力衰竭等疾病的人，常会出现心脏功能障碍和组织损伤。

▲ 欧空局在国际空间站培育血管的设备

我国的科学家同样不遑多让。2017年4月，我国天舟一号货运飞船与天宫二号空间实验室成功对接，不仅完成了送货任务，还搭载了不少科学实验。其中一项实验就是“微重力环境下胚胎干细胞培养实验”，通过普通光合荧光显微成像技术观察干细胞在太空中增殖和分化过程，并通过细胞荧光信号强度变化以及细胞的形态变化特征，判断小鼠胚胎干细胞在太空失重环境下多潜能基因的自我更新和细胞分化情况。

▲ 牙齿矫正材料

此外，地球上由于重力的作用，细胞一般沉降到培养皿的底部，而难以像人体内细胞一样自组织起来并形成像血管这样的结构。而通过国际空间站上的实验，科学家发现，在失重环境中，血管中的细胞则会以类似于人体内细胞的方式组织起来，形成为简单的三维结构。科学家表示，这些管状的聚集体就像原始的血管，这是在地球上培养细胞之前从未实现的。如果能够利用人类细胞中培养出人造血管，将具有治疗多种疾病的巨大潜力，不仅可以将其用于外科手术，帮助需要移植的患者替换受损的血管，还可以增进我们对一系列与血管有关疾病以及失重对人体影响的了解。

以往国际空间站承担了大部分的空间试验任务，而未来我们中国自己的空间站也会发射升空，其规划部署了密封舱内的16台科学实验柜、舱外暴露实验平台以及共轨飞行的实验舱，可以支持在轨实施天文、生命科学、生物技术、航天医学、空间物理等方向的科学研究与应用项目。2019年6月12日，中国空间站第一批空间科学实验国际合作项目入选结果正式公布，共有17个国家、23个实体的9个项目成功入选，入选项目内容涵盖了上述前沿科学领域。