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在第一个“试管婴儿”诞生数十年之前，“生物育儿箱”就已经存在了。事实上，人工子宫，这种可能很快将进入高危早产儿人体试验，其起源可以追溯到20世纪60年代初，当时研究人员开发了在实验室中培养人类胚胎长达50-60天的方法和设备。
“这不是相对简单的组织培养，”《Popular Science》的副编辑琼·斯汀（Joan Steen）在1962年6月解释说，“在那里，骨髓或肝脏等高度特化的细胞被保存在玻璃皿中，通过营养液喂养。”
斯汀参观了一位意大利外科医生丹尼尔·佩特鲁奇（Daniele Petrucci）的实验室，他一直在开发胚胎，以期用于器官移植。斯汀写道：“这是从零开始培养‘整个’有机体。”“取出微观的人类卵细胞，并试图冒着一切风险，使其受精并长时间保持存活。”
自1962年以来，胚胎研究领域发生了巨大的变化。从生长和打印合成器官到细胞重编程再到人工子宫，科学家们从胚胎研究中学到的东西令人惊叹。但我们仍然无法在子宫外长时间维持人类胚胎，而且，半个多世纪过去了，佩特鲁奇的实验室培育器官的设想仍然主要停留在实验阶段。
体外受精（Ectogenesis），即从受孕到出生在体外培育人类的过程，仍然是科幻小说中的情节，奥尔德斯·赫胥黎（Aldous Huxley）在他的《美丽新世界》中令人不安地描绘了这一点，其中实验室培育的婴儿被工程化为不同的社会等级。这部分原因在于，到了20世纪70年代，关于胚胎研究的伦理担忧导致了资金限制、法律和研究监管，限制了科学家们可以探索的范围。但这也是因为我们距离理解胎儿与孕妇身体之间复杂而微妙的胎盘交换还有很长的路要走。
圣路易斯华盛顿大学妇女健康工程中心主任米歇尔·奥延（Michelle Oyen）表示：“挑战在于，胎盘在妊娠期间负责许多身体系统的功能。”“你无法在不考虑血管系统、淋巴系统、神经系统的情况下培育任何东西——你需要拥有所有这些连接，这就是为什么它变得如此复杂。”
第一个成功的“试管婴儿”路易丝·布朗（Louise Brown）于1978年出生，为不孕夫妇的体外受精（IVF）解决方案铺平了道路。此后，根据国际辅助生殖技术监测委员会的数据，至少有1200万婴儿通过IVF出生。但“试管婴儿”实际上在实验室中的培养时间不会超过几天，然后受精卵就会被转移到子宫，或者冷冻起来以备将来转移。（在美国最高法院于2022年6月推翻罗诉韦德案，以及亚拉巴马州最高法院于2024年2月裁定冷冻胚胎是儿童后，该程序最近成为法律审查的焦点。）
布朗的出生标志着科学家在胚胎研究方面取得了多大进步，这引起了警觉。一年后，即1979年，美国卫生、教育和福利部实施了14天规则，禁止在实验室中培养胚胎超过14天，理由是伦理担忧。这项限制在全球范围内被广泛采纳，限制了研究人员研究胚胎发育后期阶段或为器官移植培养胚胎的能力。
因此，14天至可存活期（约22-24周）之间的人类胚胎和胎儿发育，成为一种“黑箱”，科学家们一直在试图以其他方式探索。在妇女健康工程中心，奥延应用工程工具和技术来研究这一至关重要的发育时期，对此仍有许多未知之处。
奥延解释说：“我做了大量的计算建模和基于图像的分析。”她还使用芯片上的器官模型，这涉及到在类似于计算机芯片的芯片上培养微型组织或类器官——如胎盘、肺、心脏、甚至大脑——这种芯片刻有微通道，用于输送维持组织生长所需的液体，同时直接监测组织生长。类器官在药物测试和器官特异性研究方面很有用，但尚未发展到提供再生器官进行替代治疗的程度。
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要培养类器官——以及器官——需要某种形式的干细胞，通常是胚胎干细胞、成体干细胞，或者被重编程为胚胎状态的成体干细胞，也称为诱导多能干细胞（iPSC）。
胚胎干细胞用途最广泛；它们最初是空白的，能够发育成任何类型的细胞，例如脑细胞、皮肤细胞或肝细胞。正是它们的通用性，使它们对寻求再生性治疗的科学家具有如此大的吸引力。表观遗传学领域，可以追溯到20世纪40年代，研究影响胚胎干细胞发育方式的外部因素。
直到1998年，胚胎干细胞才被威斯康星大学麦迪逊分校的科学家詹姆斯·汤姆森（James Thomson）成功分离出来。汤姆森的发现导致了对胚胎干细胞研究的进一步限制，尤其是在美国。
到21世纪初，为了支持研究而寻找人类胚胎干细胞系，催生了治疗性克隆，这使得科学家能够在不依赖受精或 IVF诊所多余卵子的情况下开发胚胎干细胞系。使用这些经批准的胚胎干细胞系，研究人员能够培养人造胚胎或胚胎样，它们不需要单独的精子和卵子。当然，14天规则仍然适用，这意味着胚胎样在进一步发育之前就需要被销毁，尽管自胚胎样缺乏发育成功能性胎儿的潜力以来，已有例外建议。
20世纪70年代至21世纪初期间实施的限制，促进了其他干细胞研究方法的发展，其目的不是为了人工培育人类，而是为了理解人类发展的早期阶段，以及再生医学，即佩特鲁奇所设想的那种——利用干细胞生长或再生器官，治愈或预防疾病，甚至逆转衰老。
例如，成体干细胞不受与胚胎干细胞相同的研究限制约束。成体干细胞，如在脐带血（是的，婴儿脐带血中的干细胞被认为是“成体”）和骨髓中发现的干细胞，具有再生特性，但其潜力受其发育阶段的限制。除非首先“重编程”，否则它们不能被诱导发育成任何其他细胞。
细胞重编程，通过将其重编程为胚胎状态，使一种细胞类型转化为另一种细胞，最早在20世纪80年代进行了尝试，后来由诺贝尔奖获得者山中伸弥（Shinya Yamanaka）推进。如今，科学家可以将成熟的细胞，如皮肤细胞，逆转回其胚胎状态或多能状态（这些细胞被称为诱导多能干细胞，或iPSCs），从而使它们能够从头开始，重新发育成不同的组织，如肝细胞。
除了明显的和重大的伦理关切之外，佩特鲁奇通过胚胎——一个组织完美匹配的微小克隆——来培养器官的模型，将会非常效率低下，就像建造整栋房子只为了使用其中一个房间一样。
然而，3D生物打印，使用基于干细胞的生物墨水，显示出希望。研究人员已经成功打印了各种人类器官，如肾脏、血管、骨骼、肌肉和皮肤组织，甚至一个功能性心脏。
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但奥延认为，在可靠地培养或生物打印器官之前还有很长的路要走，她指出“没有科学就没有工程。这意味着这个早期发育的黑箱是正确和成功地重现器官发育的真正问题。”她提到已经有一些小规模的商业成功，比如培育皮肤组织用于皮肤移植，但是“要达到使用个体患者的个体化干细胞来制作组织工程移植物的程度，这仍然是未来的事情。”
自从佩特鲁奇与《Popular Science》分享他为人类器官替代目的在实验室培育胚胎的努力以来，已经过去了半个多世纪。自那时以来，胚胎研究一直在挑战科学、伦理和社会良知的界限。虽然在理解胚胎干细胞（和其他干细胞）的行为和潜力方面取得了重大进展，但我们仍然无法可靠地工程化器官。
