[多图]揭秘八大医学灵感


外媒体报道,把大自然改造得更好一点,非常困难,这是因为那错综复杂的结构和模式都是在长期的进化和调整中被慢慢塑造出来的。但我们可以向自然之母学习,比如,很多医学技术便是我们从动物身上学来的。

1.软硬结合的乌贼嘴

 

软硬结合的乌贼嘴

 

软硬结合的乌贼嘴

乌贼嘴是一个天然的工程杰作。它完全由角质等有机材料构成,顶端异常坚硬,基部非常柔软灵活。乌贼嘴拥有的这两种截然相反的特征,可以解释身为软体动物的乌贼将把捕获的食物一点点撕碎而不会伤到自己。

这个重要的研究成果是由加州大学圣塔芭芭拉分校的一个科研组提出的,他们指出,像乌贼嘴这种渐变材料,在医学和生物技术上有着非常广泛的应用。例如,科学家可以研发出一种一端模仿软骨的弹性,另一端模仿骨骼硬度的假肢。除了它们的功能性以外,这些韧性材料跟目前用金属或者陶瓷制成的假肢不一样,既硬又软的特性,对周围的组织是有益的。

2.模仿沙塔蠕虫制成超级骨胶

 

模仿沙塔蠕虫制成超级骨胶

 

模仿沙塔蠕虫制成超级骨胶

如果只考虑细节和投入的时间的话,沙塔蠕虫(sandcastle worms)精美的结构可以在任何建筑大赛中获胜。这种小得出奇的蠕虫小心翼翼地把它发现的单个沙粒、贝壳和其他散落的粒子用胶水粘在一起,组装成自己的房子。

沙塔蠕虫利用像胡须一样的触手抓住粒子,把它们拖入口中。如果这个沙粒和其他沙粒符合它的要求,沙塔蠕虫就会在小沙粒上抹点自制的胶水,然后把它们放到正在不断变大的壳上。

这种建造复杂外壳的缓慢过程跟重建断裂的骨骼的过程几乎一样。两种情况下,粘贴碎片所用的胶水都必须满足无毒、防水的条件,而且最为重要的是,沙塔蠕虫的胶水粘合速度很快。

因此,犹他大学分子生物工程师拉塞尔·斯图尔特(Russell Stewart)认为,模仿沙塔蠕虫的胶水强度制成的合成胶水,可能会是效果很好的骨胶。早期试验显示,斯图尔特研制的胶水无毒、可生物降解,而且强度是超级胶水的两倍。

3.海参的秘密武器

 

海参的秘密武器

 

海参的秘密武器

海参独特的皮肤结构最近引起了科学家的注意。海参是最出色的食腐动物,它们沿海床慢慢前行,把途中遇到的食物残渣清扫一空。虽然缓慢的步调和柔软的肉体似乎都促使它成为食肉动物最易捕食的对象,然而事实并非如此,因为这种像皮革一样的动物拥有一样秘密防御武器:它的皮肤里镶嵌着一个超薄的细胞膜质纤维网。当海参受到威胁时,它会通过给这个网状结构注入蛋白质,把纤维捆绑在一起,使它的皮肤变硬,形成一个固体结构。

凯斯西储大学的化学家克里斯托普·维德尔(Christoph Weder)已经研发出一种生物高聚物,这种物质跟海参的皮肤一样,可以马上由坚硬变得非常柔软。由于嵌入了一种纤维网,这种新颖的材料能保持坚硬状态,不过当它遇到水时,把纤维禁锢在一起的化学键就会断开,水被蒸发掉后,它又会恢复原样。研究人员希望有一天能用这种材料取代金属制成的植入性神经电极,因为生物高聚物电极接触到潮湿的神经组织时,会变软,避免对脆弱的大脑造成破坏。

4.模仿蜗牛制成自行组装材料

 

模仿蜗牛制成自行组装材料

 

模仿蜗牛制成自行组装材料

有一天人们会在一些蜗牛用于保护正在发育的卵的粘性纤维物质的启发下,研制出新型人造关节韧带。有沟凹缝的海蜗牛(channeled whelk snail)隐藏在凹缝的一米长的卵患经常会被冲到海岸上。它们跟成串的珍珠似的,是众所周知的美人鱼项链。

美人鱼项链可以吸收强烈震动,拥有三重螺旋弹性结构,因此它们能经受住强烈的海浪冲击,不会破裂。弹性物质被拉开后,把美人鱼项链的三重螺旋结构固定在一起的连接物开始断开。当它被拉到一定限度,美人鱼项链不会像橡皮圈一样迅速弹回来。断开的连接物会慢慢重新组合起来,逐渐还原成跟最初的强度一样的美人鱼项链。

科学家可以利用具有这种高减震性能的人造橡皮圈,制造人类关节和四肢里的韧带和肌腱,不过这些人造元素更耐磨,而且具有自愈能力。跟蜘蛛丝和其他坚韧材料不同,美人鱼项链的蛋白质拥有自我组装能力,这使它们更易进行大批生产。

5.抗菌薄膜

 

抗菌薄膜

 

抗菌薄膜

虽然鲨鱼因其锋利无比的牙齿闻名,但是它们异常厚实的皮肤或许也会给人留下深刻印象。鲨鱼的皮肤也是粗结构,因此任何动物、细菌或水藻都无法依附在它身上。鲨鱼跟鲸鱼不同,对喜欢搭便车的生物来说,后者的皮肤就像个磁铁,可以让它们牢牢“抓”住。

对佛罗里达的新兴公司——Sharklet Technologies来说,鲨鱼皮的这种粗糙结构是个非常诱人的“模特”,该公司已经根据自己的设计,研制出一种抗菌薄膜。这种薄膜上覆盖着数百万个微小的凸起物,它们像彼此相邻的钻石一样排列在一起,可以粘在门和容器表面,防止细菌生长。

该公司的科学家表示,如果把它应用到医院里,这种薄膜可以把细菌形成的时间向后推迟长达21天。由于该薄膜没有杀菌作用,因此不用担心细菌会对它们产生抗性。

6.模仿蚌类的附着性制成超级薄膜

 

模仿蚌类的附着性制成超级薄膜

 

模仿蚌类的附着性制成超级薄膜

生活在潮间带的生命可能非常肮脏、粗野,也短命。连续的浪潮拍击、暴露在极端温度和盐度很高的环境下、容易被一系列贪婪的食肉动物(包括人类)捕食,因此,只有耐力最强的有机体才能在这种环境下存活下来。不起眼的蚌类就是其中之一。多亏有一种强度令人难以置信的粘合剂蛋白母体,即众所周知的,从两片死死粘在一起的贝壳之间伸出的足丝(Byssus thread)(通常也称为“贻贝丝”或“贻贝的须”),蚌类才能附着在任何物体表面。

由工程师菲利普·麦瑟史密斯(Phillip Messersmith)领导的西北大学的一个科研组,已经开发出一种特殊的双面涂层,这种涂层可模仿蚌类的附着性,用于医学移植。用二羟基苯丙氨酸(dihydroxyphenylalanine)制成的具有粘性的一面,用来把这个涂层附着在移植物上,二羟基苯丙氨酸是一种让蚌类的蛋白质产生抗力的氨基酸。被聚乙二醇覆盖的没有粘性的一面,可防止细胞碎片堆积和细菌形成。这些细胞碎片和细菌物质可粘贴在心脏瓣膜、导尿管和其他装置上,对它们产生污染。

7.模仿苍蝇耳朵制成的纳米助听器

 

模仿苍蝇耳朵制成的纳米助听器

 

模仿苍蝇耳朵制成的纳米助听器

大部分苍蝇都是利用大大的复眼追踪食物,或者逃脱蝇拍的拍打,而小型寄生苍蝇奥米亚棕蝇(Ormia ochracea)却是依靠敏锐的听力。这种雌苍蝇的胸前有两只非常敏锐的耳朵,它们通过灵敏的听力,甚至能根据数米外的蟋蟀的叫声,精确判断出它们的位置。奥米亚棕蝇耳朵里两个像皮鼓一样的薄膜,通过胸骨柄连接在一起,胸骨柄是一种骨骼构造,它可以扩大声音的振幅,确保该苍蝇能精确判断出声音是从哪个方向发出的。

纽约州立大学—宾厄姆顿分校的工程师罗恩·米勒斯(Ron Miles)受奥米亚棕蝇的惊人听力的启发,开发出一套助听工具,利用方向性微型耳麦模仿苍蝇超灵敏的耳朵。大部分助听器都无法避开背景噪音,然而米勒斯的小发明跟它们不同,这种新型助听器的使用者可通过模仿胸骨柄的设计,导向目标追踪特殊声音和交谈。得到美国国家卫生中心的国家耳聋与其他沟通失调中心资助使米勒斯信心大增,他希望这种技术能在新一代高级助听器的研发中起到重要作用。

8.坚韧而有弹性的蛛丝

 

坚韧而有弹性的蛛丝

 

坚韧而有弹性的蛛丝

迄今为止在自然界里还没发现有什么材料能像蛛丝的强度和柔韧度那么好。这种多功能纤维,由蜘蛛的丝腺里的一种复合蛋白质构成,通过丝腺上的喷丝头喷出。一只蜘蛛每天可产生多达100码(91.44米)蛛丝。这些蛋白质里的氨基酸的特殊布局,使它产生了一个由坚硬的结晶区和一个非结晶区构成的混合区域,这里正是产生具有超强抗张强度和弹性的蛛丝的地方。

这些惊人特征使蛛丝经常成为仿生学的关注对象。科学家希望能大批生产出人造版本,以便应用于工业、军事技术和医学(可当作一种超强缝合材料,这种材料可生物分解,而且柔韧度比纤维B大3倍)。虽然研究人员仍在继续努力,以便实现这个目标,但是最近的研究显示,一种丝状生物材料可以用来制造人体骨骼。这种纳米纤维的结构跟在结缔组织里发现的胶原蛋白和弹性蛋白的结构类似。这种结构使该物质成为理想的支撑材料,可用来进行血管移植,或者进行骨骼和软骨工程学研究。


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