文|創(chuàng)瞰巴黎 Agnès Vernet
編輯|Meister Xia
導(dǎo)讀
生物仿生學(xué)的崛起為生物醫(yī)學(xué)研究帶來(lái)了巨大機(jī)遇。從修復(fù)醫(yī)學(xué)到外科手術(shù)工具，仿生學(xué)的應(yīng)用正在改變醫(yī)療技術(shù)的面貌。在本文中，我們將深入探討幾個(gè)引人注目的案例。例如，Catherine Picart領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)正在利用生物仿生學(xué)研發(fā)含有骨生長(zhǎng)因子的生物材料，通過(guò)3D打印技術(shù)促進(jìn)骨骼再生。這一技術(shù)為修復(fù)骨提供了全新的理念，將醫(yī)療過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)橐浦踩嗽旃?，并讓其自行重建。這種個(gè)性化修復(fù)方法的突破意味著生物仿生學(xué)不僅深刻影響基礎(chǔ)研究，還將成為醫(yī)學(xué)創(chuàng)新的重要推動(dòng)力。在這個(gè)充滿潛力的領(lǐng)域，我們不禁思考：生物仿生學(xué)的發(fā)展將如何影響未來(lái)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步？
一覽：
- 生物仿生學(xué)為醫(yī)療領(lǐng)域帶來(lái)了很多新工具，尤其是外科手術(shù)工具。
- 修復(fù)醫(yī)學(xué)正朝著再生醫(yī)學(xué)的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)生物組織及其功能的完全恢復(fù)。
- 通過(guò)結(jié)合生物仿生學(xué)與生物工程學(xué)，科學(xué)家們研究出了一種名為“骨誘導(dǎo)劑”的生物材料，可以促進(jìn)骨骼再生。
- 通過(guò)了解骨組織形成的分子機(jī)制，這項(xiàng)技術(shù)將使量身定制的骨骼再生成為可能。
- 生物仿生學(xué)對(duì)生物醫(yī)學(xué)研究大有裨益。它既能滲透基礎(chǔ)生物學(xué)研究，也能促進(jìn)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。在本期文章中，讓我們來(lái)看看幾個(gè)具體案例吧。
首先，生物仿生學(xué)能推動(dòng)修復(fù)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)生物組織、內(nèi)臟及其功能的完全恢復(fù)，進(jìn)入再生醫(yī)學(xué)的范疇。這種方法與生物工程學(xué)一道，共處材料科學(xué)與生物科學(xué)的交叉前沿。Catherine Picart是歐洲原子能委員會(huì)、法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)和INSERM（法國(guó)國(guó)家健康與醫(yī)學(xué)研究院）聯(lián)合創(chuàng)建的“生物仿生學(xué)和再生醫(yī)學(xué)小組”組長(zhǎng)，正與法國(guó)安納西醫(yī)院（Annecy hospital）的頜面外科醫(yī)生合作，共同研究并制備修復(fù)骨組織的生物材料，以幫助受損骨骼實(shí)現(xiàn)自我重建和再生。為此，研究小組研發(fā)了一種含有骨生長(zhǎng)因子的生物材料。這些材料為3D打印出的仿生薄膜，被稱為“骨誘導(dǎo)劑”，可以促進(jìn)骨骼再生。
01 骨骼再生新理念
上述仿生薄膜是一種聚合物，與細(xì)胞外基質(zhì)（動(dòng)物細(xì)胞之間的生物凝膠）十分相似。這種交聯(lián)聚合物由透明質(zhì)酸構(gòu)成。透明質(zhì)酸是一種存在于皮膚中的聚合物，能夠形成非常薄的薄膜。有了薄膜，控制骨骼生長(zhǎng)的生長(zhǎng)因子（一種蛋白質(zhì)）就會(huì)在其上沉積。薄膜如果覆在3D打印出的多孔生物材料表面，細(xì)胞會(huì)附著其上，填充材料空隙，從而生成骨骼。這一方法的有效性已于2016年[1]在嚙齒類動(dòng)物模型中得到了驗(yàn)證。
對(duì)下頜和腿骨缺損的大型動(dòng)物（豬、羊）而言，這種方法也頗具價(jià)值[2, 3]。根據(jù)現(xiàn)有醫(yī)療手段，人類需要多次植骨手術(shù)才能矯正上述畸形，但有了骨再生概念之后，就可以將此過(guò)程簡(jiǎn)化為移植人造骨，然后讓它自行重建。
這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以制作出量身定制的修復(fù)骨。三維模具能夠限定修復(fù)骨的形狀和孔隙率，而表面薄膜則決定著修復(fù)骨的數(shù)量和生長(zhǎng)速度。
除仿生方法外，研究小組也十分關(guān)注人工基質(zhì)與生長(zhǎng)因子結(jié)合后會(huì)如何作用于細(xì)胞。他們的目標(biāo)是在體外再現(xiàn)這一過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞體外培養(yǎng)[4]。
這項(xiàng)工作的難點(diǎn)在于，材料表面的硬度會(huì)影響細(xì)胞的反應(yīng)。因此，格勒諾布爾大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種厚度不到兩微米的柔性仿生薄膜。他們將薄膜覆在生物醫(yī)學(xué)研究常用的96孔深孔板上，每個(gè)孔都相當(dāng)于一個(gè)小型“實(shí)驗(yàn)室”，96項(xiàng)實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都使用不同的基質(zhì)或生長(zhǎng)因子。
這種方法有助于深入了解骨組織形成的分子機(jī)制，對(duì)骨修復(fù)的臨床應(yīng)用大有裨益。
02 醫(yī)療技術(shù)新工具
仿生學(xué)還可以啟發(fā)新型醫(yī)療工具，尤其是外科手術(shù)工具。當(dāng)前，很多醫(yī)療技術(shù)相關(guān)研究都在從動(dòng)物和植物身上尋找靈感。例如，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)和瓦赫寧根大學(xué)的研究人員在寄生蜂的啟發(fā)下開(kāi)發(fā)了一款手術(shù)針[5]，針頭極薄，由七根獨(dú)立的針桿組成，保證了其彈性和強(qiáng)度。
同樣在外科領(lǐng)域，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的研究人員受章魚[6]啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了一款吸盤，專門用于脆弱組織的移植手術(shù)，巧妙地利用了一種特殊聚合物的電熱特性，再現(xiàn)了章魚觸手的微妙吸力。
醫(yī)用膠黏劑是另一個(gè)非常有前景的生物仿生工具領(lǐng)域，其中，法國(guó)巴黎一家名為Tissium[7]的企業(yè)走在了行業(yè)前沿。Tissium通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，一種名為沙塔蠕蟲的海洋生物會(huì)建造沙塔來(lái)保護(hù)群落，而它們體內(nèi)分泌的“膠水”不僅能將各種材料牢牢固定在沙塔的通道壁上，而且還能防水！這一特性引起了外科界的極大興趣。
從基礎(chǔ)研究到醫(yī)療技術(shù)，生物仿生的概念正在推動(dòng)醫(yī)療創(chuàng)新。印度-加拿大戰(zhàn)略分析公司Precedence Research的研究[8]結(jié)果顯示，生物仿生醫(yī)學(xué)創(chuàng)新市場(chǎng)的價(jià)值將于2022年超過(guò)330億美元，并有望在2032年達(dá)到650億美元。這些預(yù)估無(wú)疑較為寬泛，但揭示的趨勢(shì)十分明確：未來(lái)幾年，該領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新將勢(shì)不可擋。