什么是仿生材料？它在医学里有哪些应用？

2023-03-31 16:21:04 来源：科普中国

仿生材料，顾名思义，是一种受生物结构、功能和过程启发的人造材料。它们被设计用于模拟生物材料的特性和性能，以达到某种特定的应用目的。目前，仿生材料已经在生物学应用中发挥了巨大的潜力。

比如，仿生材料能够模仿生物体的结构和功能，被应用于心脏支架、关节置换和组织工程等；仿生材料还可以被设计成新型的药物载体，可以用于靶向递送、缓释药物等；此外，基于仿生设计的生物传感器，能够检测和测量生物分子、生理信号等。

“道法自然”是出自《道德经》的哲学思想，在指导我们溯本求源、顺应自然规律的同时，或许能对我们设计生物材料有所启发。

(资料图片仅供参考)

在构建高性能的生物材料时，通过学习和模仿自然界中已存在的生物，能够有效提高设计效率和创新能力，可以在多个领域中为人类带来更多的创新和突破。

近年来，仿生材料研究发展迅速，已经成为了生物、材料科学等领域的研究热点。那么，仿生材料都有哪些奇妙的生物学应用呢？我们一起往下看看吧！

1. 电子皮肤（e-skins）在健康监测和疾病诊断方面获得了巨大的关注。然而，在皮肤/电子皮肤界面上积累的汗水会影响到长期监测的舒适性、可靠性和准确性。在此，受自然界中主动液体运输现象的启发，研究者当前发明了一种仿生的金/热塑性聚氨酯/纤维素薄膜基底电子皮肤，可以在梯度孔隙和表面能量梯度的作用下快速从界面“泵”出汗水。

这种超快的排汗能力不仅提高了穿着的舒适性，而且可以将皮肤的测量误差降至最低，还可以消除传感器阵列中的短路风险，降低信号中的噪音水平，显著提高了多模态传感的准确性和可靠性。这种仿生设计策略通过提高电子皮肤的耐汗性，能够促进更多的材料和结构的发展。

2. 目前，骨质疏松症中的骨再生是一个具有挑战性的过程，涉及到了复杂的相互作用。尽管各种聚合物支架已被提出用于骨修复，但对骨质疏松性骨再生的研究实际上仍然有限。特别是，在使用骨质疏松症药物时（如双膦酸盐），实现令人满意的骨再生仍是一个挑战。

在此，研究者提出了一种一氧化氮释放型生物活性剂仿生支架，可用于骨质疏松症中骨的精确再生。首先，结合有机/无机ECM和氢氧化镁作为基础材料，然后制备了仿骨的聚（乳酸-乙醇酸）支架。含有氧化锌、阿仑膦酸钠和BMP2等生物活性剂的纳米颗粒被整合到仿生支架中，以赋予其多功能性，如抗炎、血管生成、抗破骨细胞生成和骨再生等。

3. 电子视觉假体，或称仿生眼，已经显示出了通过电脉冲人工启动神经反应来恢复盲人功能视力的可行性。然而，现有的视觉义肢主要使用有线连接或电磁波进行供电和数据遥测。这不仅引起了安全问题，也导致了微型植入单元的耦合效率不高。

在此，研究者提出了一种柔性超声诱导的视网膜刺激压电阵列，可以提供一种替代的无线人工视网膜假体来唤起盲人的视觉感知。该装置在柔性电路板上集成了一个二维的压电阵列，带有32个像素的刺激电极。每个压电元件都可以被超声波单独激活，因此，空间上可重新配置的电极图案可以通过可编程的超声波束线进行动态地应用。作为一个概念证明，作者在体外小鼠视网膜组织中展示了超声诱导的图案重建，显示了这种方法在恢复失明患者的功能和提高生活质量方面的巨大潜力。

4. 治疗糖尿病的综合系统为调节糖尿病提供了先进的技术，但在准确性、长期监测和最小侵入性等方面仍存在关键挑战。受动物咀嚼系统的特征和功能的启发，研究者提出了一种仿生微针治疗平台（MNTP），用于糖尿病的智能和精准管理。

该平台由一个微型电路支持，用于微针阵列按需穿透皮肤，使间质液体渗出的同时检测葡萄糖和生理离子，并进行皮下胰岛素输送。间质渗出液能够在富氧环境中通过集成了复合碳纳米材料的表皮传感器进行感应。这一特点解决了植入式电极带来的生物安全问题和体内的 "缺氧 "问题。MNTP被证明可以准确地检测葡萄糖和离子，并可递送胰岛素以调节高血糖症。

5.骨折和缺陷对患者构成了严重的健康相关问题。在临床治疗方面，用于促进关键尺寸骨再生的合成支架一直被积极的探索，而电刺激被认为是促进这一过程的有效辅助手段。

在此，研究者开发了一种集成了薄膜硅（Si）基底微结构的三维仿生支架。这种硅基底复合支架不仅为引导细胞生长提供了一个三维分层结构，而且还通过光诱导的电信号调节细胞行为。

通过红外光照的远程控制，这些硅结构可以电控地调节干细胞的膜电位和细胞内的钙动态，并增强细胞的增殖和分化能力。在一个啮齿动物模型中，硅集成支架在光学刺激下显示出更好的成骨作用。这样一个无线供电光电支架弥补了带有导线的电子植入物的缺陷，并可以在生物环境中完全降解。

6.肿瘤中杂乱无章的血管是肿瘤内纳米药物输送进而发挥抗癌作用的一个重大挑战。

在此，研究者合理地设计了一种谷胱甘肽（GSH）激活的一氧化氮(NO)供体负载的仿生脂蛋白系统（NO-BLP），使肿瘤血管正常化，然后改善白蛋白结合的紫杉醇纳米颗粒（PAN）在肿瘤中的递送效率。

与对应的脂质体配方（NO-Lipo）相比，NO-BLP在4T1乳腺癌肿瘤中表现出更高的肿瘤富集和更深的渗透性，产生了使血管正常化的显著功效。NO-BLP和PAN的顺序用药策略使4T1肿瘤的生长受到了81.03%的抑制，优于NO-BLP单药和PAN单药以及对应的NO-Lipo加PAN治疗。因此，仿生的NO-BLP脂蛋白提供了一个令人鼓舞的平台，可以使肿瘤血管正常化，并促进肿瘤内纳米医学药物的有效输送。

仿生研究的核心是“自然智慧”，即从自然界中汲取灵感并将其转化为技术。在实践中，仿生的研究方法包括模仿、改进和创新等。仿生材料一般是通过模仿生物的结构或功能，以实现更好的应用效果。综合以上论文不难看出，仿生材料的生物学应用包括仿生可植入材料、仿生可穿透器件、仿生纳米药物载体、仿生功能型结构/表面等等。

根据EFL整理汇总。

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