文|創瞰巴黎 Agnès Vernet

編輯|Meister Xia

導讀

生物仿生學的崛起為生物醫學研究帶來了巨大機遇。從修復醫學到外科手術工具，仿生學的應用正在改變醫療技術的面貌。在本文中，我們將深入探討幾個引人注目的案例。例如，Catherine Picart領導的團隊正在利用生物仿生學研發含有骨生長因子的生物材料，通過3D打印技術促進骨骼再生。這一技術為修復骨提供了全新的理念，將醫療過程轉變為移植人造骨，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研究，還將成為醫學創新的重要推動力。在這個充滿潛力的領域，我們不禁思考：生物仿生學的發展將如何影響未來醫學的進步？

一覽：

• 生物仿生學為醫療領域帶來了很多新工具，尤其是外科手術工具。
• 修復醫學正朝著再生醫學的方向發展，實現生物組織及其功能的完全恢復。
• 通過結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，這項技術將使量身定制的骨骼再生成為可能。
• 生物仿生學對生物醫學研究大有裨益。它既能滲透基礎生物學研究，也能促進醫療技術的發展。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學的進步，實現生物組織、內臟及其功能的完全恢復，進入再生醫學的范疇。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（法國國家健康與醫學研究院）聯合創建的“生物仿生學和再生醫學小組”組長，正與法國安納西醫院（Annecy hospital）的頜面外科醫生合作，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自我重建和再生。為此，研究小組研發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（動物細胞之間的生物凝膠）十分相似。這種交聯聚合物由透明質酸構成。透明質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）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]。根據現有醫療手段，人類需要多次植骨手術才能矯正上述畸形，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。

這種技術的優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量和生長速度。

除仿生方法外，研究小組也十分關注人工基質與生長因子結合后會如何作用于細胞。他們的目標是在體外再現這一過程，以實現細胞體外培養[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 醫療技術新工具

仿生學還可以啟發新型醫療工具，尤其是外科手術工具。當前，很多醫療技術相關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下開發了一款手術針[5]，針頭極薄，由七根獨立的針桿組成，保證了其彈性和強度。

同樣在外科領域，美國伊利諾伊大學的研究人員受章魚[6]啟發，設計出了一款吸盤，專門用于脆弱組織的移植手術，巧妙地利用了一種特殊聚合物的電熱特性，再現了章魚觸手的微妙吸力。

醫用膠黏劑是另一個非常有前景的生物仿生工具領域，其中，法國巴黎一家名為Tissium[7]的企業走在了行業前沿。Tissium通過研究發現，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。

從基礎研究到醫療技術，生物仿生的概念正在推動醫療創新。印度-加拿大戰略分析公司Precedence Research的研究[8]結果顯示，生物仿生醫學創新市場的價值將于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，該領域的研發創新將勢不可擋。