文|創(chuàng)瞰巴黎 Agnès Vernet
編輯|Meister Xia
導讀
生物仿生學的崛起為生物醫(yī)學研究帶來了巨大機遇。從修復醫(yī)學到外科手術(shù)工具，仿生學的應用正在改變醫(yī)療技術(shù)的面貌。在本文中，我們將深入探討幾個引人注目的案例。例如，Catherine Picart領(lǐng)導的團隊正在利用生物仿生學研發(fā)含有骨生長因子的生物材料，通過3D打印技術(shù)促進骨骼再生。這一技術(shù)為修復骨提供了全新的理念，將醫(yī)療過程轉(zhuǎn)變?yōu)橐浦踩嗽旃?，并讓其自行重建。這種個性化修復方法的突破意味著生物仿生學不僅深刻影響基礎(chǔ)研究，還將成為醫(yī)學創(chuàng)新的重要推動力。在這個充滿潛力的領(lǐng)域，我們不禁思考：生物仿生學的發(fā)展將如何影響未來醫(yī)學的進步？
一覽：
- 生物仿生學為醫(yī)療領(lǐng)域帶來了很多新工具，尤其是外科手術(shù)工具。
- 修復醫(yī)學正朝著再生醫(yī)學的方向發(fā)展，實現(xiàn)生物組織及其功能的完全恢復。
- 通過結(jié)合生物仿生學與生物工程學，科學家們研究出了一種名為“骨誘導劑”的生物材料，可以促進骨骼再生。
- 通過了解骨組織形成的分子機制，這項技術(shù)將使量身定制的骨骼再生成為可能。
- 生物仿生學對生物醫(yī)學研究大有裨益。它既能滲透基礎(chǔ)生物學研究，也能促進醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展。在本期文章中，讓我們來看看幾個具體案例吧。
首先，生物仿生學能推動修復醫(yī)學的進步，實現(xiàn)生物組織、內(nèi)臟及其功能的完全恢復，進入再生醫(yī)學的范疇。這種方法與生物工程學一道，共處材料科學與生物科學的交叉前沿。Catherine Picart是歐洲原子能委員會、法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學和INSERM（法國國家健康與醫(yī)學研究院）聯(lián)合創(chuàng)建的“生物仿生學和再生醫(yī)學小組”組長，正與法國安納西醫(yī)院（Annecy hospital）的頜面外科醫(yī)生合作，共同研究并制備修復骨組織的生物材料，以幫助受損骨骼實現(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“骨誘導劑”，可以促進骨骼再生。
01 骨骼再生新理念
上述仿生薄膜是一種聚合物，與細胞外基質(zhì)（動物細胞之間的生物凝膠）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，控制骨骼生長的生長因子（一種蛋白質(zhì)）就會在其上沉積。薄膜如果覆在3D打印出的多孔生物材料表面，細胞會附著其上，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]在嚙齒類動物模型中得到了驗證。
對下頜和腿骨缺損的大型動物（豬、羊）而言，這種方法也頗具價值[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，就可以將此過程簡化為移植人造骨，然后讓它自行重建。
這種技術(shù)的優(yōu)勢在于可以制作出量身定制的修復骨。三維模具能夠限定修復骨的形狀和孔隙率，而表面薄膜則決定著修復骨的數(shù)量和生長速度。
除仿生方法外，研究小組也十分關(guān)注人工基質(zhì)與生長因子結(jié)合后會如何作用于細胞。他們的目標是在體外再現(xiàn)這一過程，以實現(xiàn)細胞體外培養(yǎng)[4]。
這項工作的難點在于，材料表面的硬度會影響細胞的反應。因此，格勒諾布爾大學的研究人員開發(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)學研究常用的96孔深孔板上，每個孔都相當于一個小型“實驗室”，96項實驗同時進行，每項實驗都使用不同的基質(zhì)或生長因子。
這種方法有助于深入了解骨組織形成的分子機制，對骨修復的臨床應用大有裨益。
02 醫(yī)療技術(shù)新工具
仿生學還可以啟發(fā)新型醫(yī)療工具，尤其是外科手術(shù)工具。當前，很多醫(yī)療技術(shù)相關(guān)研究都在從動物和植物身上尋找靈感。例如，荷蘭代爾夫特理工大學和瓦赫寧根大學的研究人員在寄生蜂的啟發(fā)下開發(fā)了一款手術(shù)針[5]，針頭極薄，由七根獨立的針桿組成，保證了其彈性和強度。
同樣在外科領(lǐng)域，美國伊利諾伊大學的研究人員受章魚[6]啟發(fā)，設(shè)計出了一款吸盤，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)用膠黏劑是另一個非常有前景的生物仿生工具領(lǐng)域，其中，法國巴黎一家名為Tissium[7]的企業(yè)走在了行業(yè)前沿。Tissium通過研究發(fā)現(xiàn)，一種名為沙塔蠕蟲的海洋生物會建造沙塔來保護群落，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)學創(chuàng)新市場的價值將于2022年超過330億美元，并有望在2032年達到650億美元。這些預估無疑較為寬泛，但揭示的趨勢十分明確：未來幾年，該領(lǐng)域的研發(fā)創(chuàng)新將勢不可擋。