骨骼再生、蜂针手术针…医学模仿自然，大有可为

Catherine Picart

欧洲原子能委员会（CEA Grenoble）、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学、INSERM（法国国家健康与医学研究院）联合生物健康研究部门主任、生物仿生学和再生医学小组组长

生物仿生学为医疗领域带来了很多新工具，尤其是外科手术工具。

修复医学正朝着再生医学的方向发展，实现生物组织及其功能的完全恢复。

通过结合生物仿生学与生物工程学，科学家们研究出了一种名为“骨诱导剂”的生物材料，可以促进骨骼再生。

通过了解骨组织形成的分子机制，这项技术将使量身定制的骨骼再生成为可能。

生物仿生学对生物医学研究大有裨益。它既能渗透基础生物学研究，也能促进医疗技术的发展。在本期文章中，让我们来看看几个具体案例吧。

首先，生物仿生学能推动修复医学的进步，实现生物组织、内脏及其功能的完全恢复，进入再生医学的范畴。这种方法与生物工程学一道，共处材料科学与生物科学的交叉前沿。Catherine Picart是欧洲原子能委员会、法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学和INSERM（法国国家健康与医学研究院）联合创建的“生物仿生学和再生医学小组”组长，正与法国安纳西医院（Annecy hospital）的颌面外科医生合作，共同研究并制备修复骨组织的生物材料，以帮助受损骨骼实现自我重建和再生。为此，研究小组研发了一种含有骨生长因子的生物材料。这些材料为3D打印出的仿生薄膜，被称为“骨诱导剂”，可以促进骨骼再生。

01

骨骼再生新理念

上述仿生薄膜是一种聚合物，与细胞外基质（动物细胞之间的生物凝胶）十分相似。这种交联聚合物由透明质酸构成。透明质酸是一种存在于皮肤中的聚合物，能够形成非常薄的薄膜。有了薄膜，控制骨骼生长的生长因子（一种蛋白质）就会在其上沉积。薄膜如果覆在3D打印出的多孔生物材料表面，细胞会附着其上，填充材料空隙，从而生成骨骼。这一方法的有效性已于2016年[1]在啮齿类动物模型中得到了验证。

对下颌和腿骨缺损的大型动物（猪、羊）而言，这种方法也颇具价值[2, 3]。根据现有医疗手段，人类需要多次植骨手术才能矫正上述畸形，但有了骨再生概念之后，就可以将此过程简化为移植人造骨，然后让它自行重建。

这种技术的优势在于可以制作出量身定制的修复骨。三维模具能够限定修复骨的形状和孔隙率，而表面薄膜则决定着修复骨的数量和生长速度。

图片来源：PI France

除仿生方法外，研究小组也十分关注人工基质与生长因子结合后会如何作用于细胞。他们的目标是在体外再现这一过程，以实现细胞体外培养[4]。

这项工作的难点在于，材料表面的硬度会影响细胞的反应。因此，格勒诺布尔大学的研究人员开发了一种厚度不到两微米的柔性仿生薄膜。他们将薄膜覆在生物医学研究常用的96孔深孔板上，每个孔都相当于一个小型“实验室”，96项实验同时进行，每项实验都使用不同的基质或生长因子。

这种方法有助于深入了解骨组织形成的分子机制，对骨修复的临床应用大有裨益。

02

医疗技术新工具

仿生学还可以启发新型医疗工具，尤其是外科手术工具。当前，很多医疗技术相关研究都在从动物和植物身上寻找灵感。例如，荷兰代尔夫特理工大学和瓦赫宁根大学的研究人员在寄生蜂的启发下开发了一款手术针[5]，针头极薄，由七根独立的针杆组成，保证了其弹性和强度。

同样在外科领域，美国伊利诺伊大学的研究人员受章鱼[6]启发，设计出了一款吸盘，专门用于脆弱组织的移植手术，巧妙地利用了一种特殊聚合物的电热特性，再现了章鱼触手的微妙吸力。

医用胶黏剂是另一个非常有前景的生物仿生工具领域，其中，法国巴黎一家名为Tissium[7]的企业走在了行业前沿。Tissium通过研究发现，一种名为沙塔蠕虫的海洋生物会建造沙塔来保护群落，而它们体内分泌的“胶水”不仅能将各种材料牢牢固定在沙塔的通道壁上，而且还能防水！这一特性引起了外科界的极大兴趣。

从基础研究到医疗技术，生物仿生的概念正在推动医疗创新。印度-加拿大战略分析公司Precedence Research的研究[8]结果显示，生物仿生医学创新市场的价值将于2022年超过330亿美元，并有望在2032年达到650亿美元。这些预估无疑较为宽泛，但揭示的趋势十分明确：未来几年，该领域的研发创新将势不可挡。

作者

Agnès Vernet

编辑

Meister Xia

1. Bouyer M et al., Biomaterials (2016) 104:168–81. doi: 10.1016/j.biomaterials.2016.06.001

2. Garot C et al., Adv Healthc Mater (2023), e2301692 doi: 10.1002/adhm.202301692

3.  Bouyer M. et al., Mater Today Bio (2021) 11:100113. doi: 10.1016/j.mtbio.2021.100113

4.Sales A et al. Biomaterials (2022) 281:121363. doi: 10.1016/j.biomaterials.2022.121363.

5. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748–3190/aa92b9

6. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abc56 30

7. https://tissium.com

8. https://www.precedenceresearch.com/medical-biomimetics-market