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髋关节置换手术已经问世一段时间了。最早出现在1891年，使用的是象牙材料，现在主要使用钛和瓷。人工髋关节非常成功，因为髋部的活动方式相对单纯，属于杵臼运动，让双腿可以旋转摆动（不过绝大多数动作都不自然，学过瑜伽的人就知道我在讲什么）。过去出现的迪斯科舞，就是专门展现髋部灵活性的舞蹈，跳得好再加上服装新潮，你就是一个很“hip”的家伙，意思不是很屁股，而是很炫。
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我们还在子宫里时，臀部就成形了。大腿骨顶端会生成圆球状的股骨头，跟骨盆的髋臼完全嵌合，之后两根骨头会以同样的速度生长，以确保关节变大了依然密合。不过，这些骨骼的表面非常粗糙（所有骨骼都一样），因此人体会长出一层叫作软骨的外围组织，衬在两根骨头的接合处。软骨比骨骼软，但比肌肉硬，能在骨骼之间形成平滑的界面，并吸收冲击力。之后关节再由韧带、肌腱和肌肉加以固定，限制关节的动作，防止人体跑动、跳跃和跳扭扭舞（没错！）时，股骨头脱离髋臼。所谓的关节炎其实就是软骨受损，而软骨一旦受损就不可能复原。
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因此，髋关节置换手术就是把大腿骨顶端的股骨头锯掉，换成钛做的股骨头，再把按照钛股骨头尺寸制作的髋臼钉入骨盆，最后垫上高密度聚乙烯当成软骨。这套人工关节能让腿部活动完全恢复，并且能使用数十年，只有当聚乙烯磨耗了才需要更换。最新款的人工髋关节密合度更高，甚至不需要聚乙烯来当缓冲，但是否更耐用还言之过早，因为金属（更新款则使用陶瓷）直接接触可能会产生其他的磨损问题。不过，髋关节置换目前已经成为很普通的手术，让数百万的老年人重拾了活动力。
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膝关节置换手术的原理相同，只是关节活动机制比较复杂，膝关节不是杵臼关节，它同时需要扭转又能弯曲。下回在咖啡馆无所事事望着窗外发呆时，不妨留意一般人怎么走路：首先是膝盖超过身体，定在下一步要踩的位置上方，再让小腿和脚甩到定位。脚着地后，脚掌必须调整角度或扭动或倾斜以贴合地面，这些都需要膝盖以复杂的方式调整动作来配合。跑步对膝盖的压力更大，因为在执行上述动作的同时，还得不断承受冲击。只要试着走路不弯膝盖，就会明白膝关节对活动力有多重要。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 人体组织可再造
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虽然如果必要，我一定会选择动手术恢复活力，但想到十年或二十年后，我必须换掉自己的膝关节和髋关节，我还是怕怕的。不过，十年对医学和材料科学来说是很长的时间，现在也有科学家在努力研究，或许我终有一天可以让受损的软骨重新生长，而不用更换关节。
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软骨是复杂的活体组织，它的内骨架和凝胶一样由纤维组成，主要成分是胶原蛋白。胶原蛋白是明胶的分子亲戚，也是人体内最普遍的蛋白质，能让肌肤和其他组织维持紧实弹性，因此除皱乳霜才会经常强调含有胶原蛋白。但和凝胶不同，胶原蛋白的骨架里有活细胞，负责制造和维持骨架。
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这些细胞称为软骨胚细胞。目前科学家可以从病人的自体干细胞培育出软骨胚细胞，但把软骨胚细胞直接注入关节并不会让软骨复原，因为这些细胞无法在原生地之外存活，也就是无法脱离胶原蛋白的骨架，一离开就会死亡。这就像直接把伦敦人送上月球以延续人类生命一样。少了基础建设，送再多人去也是枉然。
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因此，我们需要在关节内仿照胶原蛋白的结构，建造一个临时骨架，再把软骨胚细胞放入这些“支架”内，让它们成长以及分裂增生，给它们时间和空间重建栖地，进而让软骨重新生长。这套“支架法”的优点在于软骨胚细胞会自行吞食掉支架，也可以事先设定，让支架在软骨胚细胞重建栖地之后，自动溶解，只在膝盖和髋部留下软骨。
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用支架重建软骨组织听起来有点像天方夜谭，其实已经是确证的做法，于20世纪60年代由亨奇（Larry Hench）教授率先尝试。当时一位陆军上校问他能不能找到方法，帮助越战退伍伤兵再生骨骼，免于截肢的命运。“我们救得了性命，却救不了四肢。我们需要发明身体不会排斥的材质。”亨奇和其他科学家多方寻找与骨骼更相配的材质，结果找到一种名为羟磷灰石的矿物。人体内就有这种矿物质，而且它能强力附着于骨骼上。亨奇等人实验了许多组态，发现羟磷灰石在玻璃状态时，性质尤其特殊。这个生物活性玻璃有许多小孔，也就是拥有许多微小通道，称为成骨细胞的骨细胞喜欢住在这些通道里，并于制造骨骼时分解周围的生物玻璃，就像把玻璃吞食了一样。
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生物玻璃支架和在支架内生长的成骨细胞
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这套组织工程非常成功，目前主要用于合成植骨及重建颅骨和颧骨，不过尚未用于支撑性质的骨骼，因为这类骨骼必须承受人体重量，重建时间极长，而支架无法长时间承受巨大的压力。目前的做法是在实验室重建这类大型骨骼，因为支架不仅能存在于人体，在实验室里也行。细胞必须在生物反应器里培养，而反应器除了模拟人体内的温度与湿度，还提供养分。这项技术的成功也开启了新的可能，未来可望制造出能完全替代人体组织的植入物。目前这个领域已经跨出了第一步，在实验室成功培植出了人体气管。
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这项计划的起因是一位气管出了问题的病人。由于他的气管出现癌细胞，必须切除。如果不置换气管，病人就得终生倚靠呼吸器生活。科学家首先以医院常用的X光电脑断层扫描来扫描病人。计算机断层扫描通常用来寻找大脑和其他器官里的肿瘤，但这项计划用它来替病人的气管建立3D影像，之后把影像输送到3D打印机。
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3D打印机是一种全新的制造技术，可以使用数字信息制造出完整的物品。它的原理跟一般打印机类似，只不过打印头射出的不是墨点，而是材料微粒，一次射出一层，逐层把物品制造出来。这项技术目前不仅能打印杯子和瓶罐之类的简单物品，还能打印带有可动部位的复杂物品，例如轴承和马达。可以使用这项技术的材料现在有一百种，包括金属、玻璃和塑料。赛法利恩（Alexander Seifalian）教授的研究团队先做出可适应病人干细胞的支架材料，再把这个特殊材料放入3D打印机做出病人气管的精确复制品。
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成人干细胞的功能为更新组织，而人体每一种细胞都有相应的干细胞负责生成细胞。生成造骨细胞的干细胞称为间质干细胞。赛法利恩教授的研究团队做出支架后，把病人骨髓内取出的间质干细胞植入支架，再放入生物反应器中。随后干细胞转变成数种不同的细胞，开始建造软骨和其他结构，形成一个自我维持的活体细胞环境，并溶解细胞周围的支架，最后会留下一个全新的气管。
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这项技术的一大优点在于植入物完全由病人自己的细胞制成，一旦植入就自然成为身体的一部分，病人完全不需要服用副作用强烈的免疫抑制剂来防止身体排斥植入物。免疫抑制剂会压制免疫系统以保护植入物，使得病人可能受到寄生虫的攻击和各种感染。然而，人工气管若要正常作用，身体必须输血给它，而目前还不清楚人体是否能建立足够的供血管道。此外，人工气管内的细胞生态必须维持稳定，气管才不会变形，病人才能正常呼吸。而消毒是另一个问题。支架使用的聚合物非常脆弱，无法承受传统的高温消毒。虽然有这些难题，研究人员还是于2011年7月7日完成了人类历史上首次的病人自体干细胞培植气管移植。
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这项技术的成功加速了新一代支架材料的研发。人工气管必须能吸气、呼气，并得到血液供应才能维持长久，但它还不是人体内的调节器官。科学家接下来的挑战是培养肝、肾甚至心脏。目前人体的这些主要器官一旦衰竭，就必须靠器官移植才能恢复健康。但器官移植得仰赖捐赠，而且必须匹配，移植后还得终生服药以防器官排斥。不过由于器官移植通常是病人重拾健康与独立的唯一希望，使得捐赠的器官往往供不应求。
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赛法利恩教授研究团队研发的气管支架，在移植前先植入了干细胞
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器官长期短缺造成了三个后果：首先，肝或肾坏死的病人需要长期照护，不仅费用庞大，还会让他们无法自主生活。其次，许多患者往往等不到合适的心脏就过世了。最后，器官黑市交易越来越猖獗，更多穷人（尤其是发展中国家的穷人）被迫出售器官。不少调查都证实确有此事。最新一份来自美国密歇根州立大学的报告，记载了33个孟加拉人出售肾脏却没拿到钱，还因为手术赔上了身体健康。通常这些穷人会搭机前往器官接受者所在的国家，在私人医院摘除器官，然后立刻进行移植。据称，一枚肾脏的平均价格是1200美元。
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除非找到方法取代器官移植，否则这些问题永远无法解决。生物材料支架组织工程是眼下最具前景的替代方案，但显然还有许多难关要克服。这些主要器官结构复杂，往往具有多种细胞，互相协调执行器官功能。以肝和肾为例，人工肝肾不仅要有血液供应，还必须联结大动脉。人工心脏需求最急迫，因为人体只有一颗心脏，失去作用的话，人一定会死。目前已有数种人工心脏面世，但使用者最长只存活了一年。