人体器官的复杂程度远超任何工厂。科学家们通过组织工程学技术，模拟器官的生理性能，不断解密器官之谜。
来自美国国立卫生研究院（US National Institutes of Health）的Rosemarie Hunziker表示，由于器官的这些特性，实验室内创造一个具有生理功能的器官难如登天。Hunziker的工作 是管理工程化组织相关项目的基金。人工器官的研发，可谓得上是道阻且长。尽管工程化组织已被广泛运用于医学研究上，甚至进入了临床试验，但相比于真正的组织，工程化组织的结构和功能都过于简单。举例来说，制造人工胃时，科学家们首先3D打印出胃的结构支架，然后将特定细胞接种在支架上。问题是，没有血流和与其它器官的相互作用，最后的成果不过是一堆长有胃形态的细胞团，并不具备消化的功能。器官并不只是一堆按照特定结构生长的细胞，它需要支撑结构，需要血管来输送营养和信号分子，还需要一系列复杂的控制功能以对内部和外部信号做出响应。
幸运的是，组织工程学家们似乎找到了突破口。为了解决器官的复杂性问题，他们采用多种方法来制造组织。一种方法是将细胞接种到芯片大小的简化器官模型上，然后将这些模型联系起来，观测器官之间如何相互作用。这些“器官芯片”在研究器官功能和疾病，以及候选药物的毒性测试等应用上具有独特优势。另一种制造方法是通过培养细胞的自组装能力，重现真实的器官发育过程，加深研究者们对器官发育的理解。
无论采取哪种方法，工程化器官的建立都是由易到难，一步步逐渐增加复杂性的。Hunziker表示，不同的用途对工程化器官的复杂程度要求不同。尽管目前的人造器官和真正的器官看起来相差甚远，但它们在药物测试和基础研究中均十分有用。Hunziker补充说，无论是用于研究器官功能或移植，工程化器官的最终目标都是创造和真正器官一样，能够稳定可靠地执行功能的器官。
目前科学家们以工程化器官为模型，研究各类科学问题。这些问题包括：肿瘤细胞如何从肿瘤中脱落，从而侵犯其它组织；疾病和发育过程中器官出现的一系列变化过程，例如研究神经发育疾病是由哪个环节出错造成的。
微型多器官系统
工程化程度最高的器官模型是器官芯片——这是和真实器官长得最不像的模型。器官芯片的生产工艺和集成芯片类似。首先，在硅片上涂覆光敏涂层，通过紫外光进行光刻，除去不需要的涂层部分，在硅片上形成特定的沟槽。然后，把带有特定图形的硅片作为3D打印的模具，在计算机内存条大小的矩形橡胶皮上打印出芯片器官的基本结构。接着，将特定种类的细胞接种于沟槽中。最后，为芯片接上泵和外部液流，模拟血液运输营养、代谢废物以及环境信号的过程。持续的血液灌注可以用于模拟器官所处的动态环境。范德堡大学（Vanderbilt University）的John Wikswo指出，生物工程学家们还能调节器官的硬度，并模拟正常或疾病情况下细胞可能接收到的力学、化学和电学信号。举例来说，在炎症的研究中，研究者们可通过在芯片的沟槽中添加细胞因子，甚至活的免疫细胞，来观测组织受损或感染后发生的典型炎症反应。
哈佛大学（Harvard University）韦斯生物工程研究所（Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering）的主任Donald Ingber表示，器官芯片多为透明，以便对细胞进行高分辨率、实时的成像。肝、肾、肺、小肠、脂肪、肌肉和血脑屏障等芯片都在研发中。
目前研究者们正致力于将多个芯片整合成多器官系统，来模拟人体的一些生理特性。哥伦比亚大学（Columbia University）的Gordana Vunjak-Novakovic等人目前在研究心脏-肝-血液系统的搭建，该系统可用于药物毒性测试和疾病研究。Wikswo等人也在尝试使用多种器官芯片来预测化学物质和药物对人体的潜在毒性。Wikswo认为，肾脏和肝脏是最先受毒性影响的脏器，因此肝-肾芯片系统在药物进入人体试验前就能确定药物毒性。他还表示，通过在3D支架中接种特定种类的细胞，给予系统不同的信号，获取系统的反馈，可用于研究人体正常或病理情况下的生理反应。
Hunizer则表示，决定芯片器官的仿真程度的关键是微细结构。例如，在肝芯片中，合理谨慎地接种细胞，能更好地模拟肝脏——肝脏各部分与主要血管的距离并不相同。相应地，肝脏各部分活跃的基因也不同，细胞发育和行为也不相同，对于各种化学刺激的响应也不同。
Ingber评价说，使用微型多器官系统，能完成很多在细胞、动物和人类模型上无法进行的实验。他表示，将从病人身上提取的细胞接种到器官芯片上，有助于评估同一病人在正常和疾病情况下的生理情况差别，以及不同人之间的生理情况差别。并且这种评估更具体，更贴合实际。Ingber等人让这个多器官系统运行了一个多月。同时，在器官芯片模型中，研究者们能调节各类参数，观测器官发生的生理变化。这在病人身上是无法实施的。
目前已有数个实验室通过成立公司的方式将这些器官模型商品化。Ingber成立的Emulate公司，开发基于器官芯片的、高通量的药物筛选和毒性测试系统。由麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Sangeeta Bhatia共同创立的Medford公司，则通过精确细胞接种位置来制造更仿真的肝脏芯片。这些公司的产品都主要针对药物筛选。而由美国弗吉尼亚大学（University of Virginia）的两位科学家成立的HemoShear Therapeutics公司则主攻器官建模系统，其中包括模拟组织中血流的系统。今年1月，HemoShear和Pfizer制药公司联手，共同研发血管损伤（候选药物可能造成炎症等副作用，从而导致血管损伤）的预测系统。
目前很多实验室仍不具备制造器官芯片的能力。但不必担心，一些公司能有偿为实验室提供制造器官芯片的服务。很多大学也提供器官芯片的培训。同时，顶尖实验室目前也在研究如何让器官芯片变成理想的活细胞培养箱。Ingber表示，一大难题是，如何均匀地接种细胞，同时让细胞在细小的沟槽里保持生长状态。另一大挑战是系统中存在的气泡会损伤细胞。
3D器官
与器官芯片不同，3D器官模型将细胞接种于柔软的支架上，这种模型的形态更接近真实器官。这种方法中，首先需要挑选合适的合成材料，制作支架结构。然后将细胞接种于支架中，细胞会不断生长，最后填满支架。一个有名的例子是麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的Linda Griffith和Charles Vacanti等人在裸鼠背部皮下植入耳朵形的支架，在支架中接种牛的软骨形成细胞，最后裸鼠背部长出人的外耳。在外耳形成的过程中，制作支架的多聚材料不断降解，最后被软骨组织所取代。
现在，Griffith等人采用定制的3D打印机制作高度复杂的组织支架。制作过程中，3D打印机喷出一股光敏聚合物，形成一层。每一层形成后，都会用紫外光进行光刻，刻画出支架的细微结构。然后打印机会去除不需要的部分，形成毫米尺寸的3D支架。
科学家们也成功研发了多种模拟器官发育过程中的关键性机械刺激的方法。例如，哺乳类动物胚胎的早期牙齿发育的一个过程是，胚胎细胞相互挤压。为了模拟这个过程，Ingber等人研发了一种在特定温度下，会发生收缩的多聚材料。这种材料在体温条件下，会发生收缩，并挤压包裹在其内的细胞。挤压过程会激活牙齿发育的相关基因。Ingber表示，这种材料也能在多种治疗中起到诱导组织发育的作用，因为软骨和其它内脏（比如肺和肾）发育中也经历过细胞挤压的过程。
在器官模型中整合血流，尤其是模拟心脏，是一大难题。不过研究者们仍通过3D器官，积极寻求受损心脏的治疗方法，甚至创造心脏移植的替代物。东京女子医科大学（Tokyo Women's Medical University）的Teruo Okano等人采用细胞层培养技术，成功搭建了血管化的心脏组织片模型，这个模型中不需要使用支架。首先，在细胞培养皿底层涂覆温度敏感的多聚物材料。将细胞接种于处理过的培养皿中，形成薄薄的细胞层。可选择的细胞种类很多，包括大鼠新生心肌细胞，人类肌肉细胞和诱导性多潜能干细胞。Okano的同事Tatsuya表示，将温度降低时，细胞会从多聚材料上剥离，但这个过程并不影响细胞间的相互连接。在临床实验中，Okano等人将由肌肉细胞生成的细胞层接种到30位心脏病患者的心脏内。这些细胞层能够分泌几种细胞因子，促进血管形成，并抑制病人心脏内的细胞死亡。Shimuzu等人希望未来能移植具有心跳功能的心脏组织片模型。
但心脏组织片模型并不理想。 心脏病能导致心脏组织变薄，因此理想的移植物应当较厚。Okano等人也在尝试制造包含更多血管的、更厚的、活性维持更久的心脏组织片模型。他们采用人类诱导性多潜能干细胞制作细胞层，然后将细胞层接种到大鼠背部皮下，让细胞层增殖到30层，达到1毫米厚。移植后，大鼠体内的小血管会穿透细胞层。细胞层慢慢被血管所浸润，而干细胞受到诱导，分化成血管，并直接与更大的血管（如颈静脉）相连。在长达6个月的观测后，心脏-肌肉细胞仍在跳动。
然而，类似的治疗手段并不能施加于人体。因此研究者们研发了依靠一种胶体，得到多层细胞层的方法。
Okano等人希望，未来这种技术能用于治疗重度心衰的病人。类似的技术也能用于创造肝脏或肾脏模型。
类胚胎
生物工程学家们试图把复杂的细胞内信号融入到器官模型里。细胞里有丰富的生化和生物电信号，调控细胞的分化、迁移、形状改变，以及聚集形成器官。已有实验室成功诱导年老青蛙断肢再生。塔夫茨大学（Tufts University）的Michael Levin是该项目的领头人，他认为，这在人体上或许也能实现：小孩子的指尖断后能够再生，而成年人就不具备这种修复能力。
为了让青蛙腿再生，Levin等人采用化学方法改变肢端的电信号，让其与年幼动物肢端的电梯度相同。电梯度改变后，断肢端细胞开始增殖。他们也成功诱导了双头蠕虫。蠕虫体内的电信号网络，类似于人脑中的记忆。通过改动电信号，改变了蠕虫对需要新生部位的记忆。Levin把整个过程称之为“信息操控”，信息操控能让组织产生可预测的、大规模的生长和形式变化（即长出需要的器官）。Levein说，“这大大减小了器官新生的难度。”
Levin并没有尝试微观调控组织新生，而是调动身体自身的机能。他们研发了一款基于数学模型和编程的生物学软件，名为“Phrase Book”。这款软件可用于检索实验中需要操控的因素，从而告诉 细胞该新生哪个器官。该软件旨在将基因、蛋白和信号通路的数据库与 器官成形和功能调节的信息联系起来。Levin表示，“生物工程学家们在创造器官，哪怕是简单器官时，会遇到很多困难。这种数据库工具在解决这些问题中具有不可或缺的作用。”
这个软件工具的有用之处，并不在于它所选择的具体的实施方法，而在于指出了哪些因素在器官再生中是关键。现在工程化组织在各类实验，甚至移植治疗中都起到了重要作用。工程化组织并不需要具备真正器官所具备的全部性能。Hunziker指出，“工程化组织的关键是能够实现特定功能，满足实验或治疗的需求就行了。”
无论是用于心脏修复、毒性测试，还是用于研究神经疾病，科学家们希望利用组织工程学来达到以下目的：更好地了解世界和自身，改善人们的生活质量。