邢岳橋

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生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

邢岳橋

（西安市第八中學(xué)，陜西 西安 710000）

近年來(lái)，隨著人工智能的興起和發(fā)展，生物仿生技術(shù)的發(fā)展也極為迅速。生物仿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到軍事、醫(yī)療、工業(yè)制造業(yè)、建筑行業(yè)等多個(gè)熱門行業(yè)及領(lǐng)域。仿生技術(shù)已經(jīng)成為目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者以及人民群眾熱議的話題。而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物仿生技術(shù)剛剛興起還處在初步探索與發(fā)展階段，但是已經(jīng)在醫(yī)療康復(fù)、人體器官及組織再構(gòu)中起到了非常重要的作用，也被廣泛應(yīng)用于人類重大疾病的診斷、防治、康復(fù)等多個(gè)層面。簡(jiǎn)要介紹了生物仿生技術(shù)的主要發(fā)展情況以及主要分類情況，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說(shuō)明了生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并簡(jiǎn)要概述其未來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。

生物仿生技術(shù)；醫(yī)藥行業(yè)；應(yīng)用領(lǐng)域；發(fā)展方向

1 仿生技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及主要分類

仿生學(xué)，顧名思義就是通過(guò)研究生物對(duì)象和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征以及相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)，通過(guò)能量轉(zhuǎn)換來(lái)提取重要信息。并將提取的信息和知識(shí)應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)制造、高精尖行業(yè)、建筑、科技、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的一門綜合學(xué)科。通過(guò)對(duì)生物固有的結(jié)構(gòu)特征的提取、研究，進(jìn)行相應(yīng)模仿學(xué)習(xí)，并重建生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能并應(yīng)用到人類領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)和改變，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。目前，現(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)擴(kuò)展到許多領(lǐng)域，并在這些領(lǐng)域和行業(yè)中得到推動(dòng)和發(fā)展。目前，對(duì)于醫(yī)學(xué)仿生學(xué)來(lái)說(shuō)，還是一個(gè)新型學(xué)科，它是生物仿生學(xué)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展，主要是通過(guò)仿生學(xué)技術(shù)的研發(fā)與使用從而達(dá)到修復(fù)人體身體功能的目的。

仿生技術(shù)涉及大量領(lǐng)域，因此很難對(duì)其進(jìn)行非常準(zhǔn)確分類。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，學(xué)者們總結(jié)了仿生技術(shù)的類型如下：①結(jié)構(gòu)仿生。通過(guò)對(duì)相關(guān)生物構(gòu)造以及基因的分析研究，構(gòu)建相似生物體及生物結(jié)構(gòu)的高科技產(chǎn)品，從而通過(guò)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)相似功能。②功能仿生。必須建立在結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)模仿學(xué)習(xí)動(dòng)物功能來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的思維感知以及運(yùn)動(dòng)和操縱。③材料仿生。模擬生物特征如人體皮膚、血液構(gòu)造、眼膜、心臟等特征實(shí)現(xiàn)仿生材料的研制與開(kāi)發(fā)。④力學(xué)仿生。人體力學(xué)的仿生學(xué)主要研究人體結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特征。⑤控制仿生。主要分為三類，即先進(jìn)的神經(jīng)元仿生學(xué)，低級(jí)神經(jīng)元仿生學(xué)和進(jìn)化機(jī)制。

2 生物仿生技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的具體應(yīng)用

2.1 仿生智能技術(shù)應(yīng)用于殘疾人康復(fù)

對(duì)于健康人來(lái)說(shuō)，平腳站立是再正常不過(guò)的事情，但是對(duì)于殘疾人或某些截肢患者來(lái)說(shuō)，這種簡(jiǎn)單的動(dòng)作要想實(shí)現(xiàn)是非常困難的。而現(xiàn)如今，隨著人機(jī)交互和仿生智能等高科技技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展與應(yīng)用，仿生智能技術(shù)衍生的智能輔助設(shè)備正在為殘疾人的生活帶來(lái)巨大變化，也呈現(xiàn)出了廣闊的市場(chǎng)前景。

應(yīng)用仿生技術(shù)的殘疾人康復(fù)器械設(shè)備主要原理是利用包括傳感器、計(jì)算機(jī)芯片和機(jī)電設(shè)備在內(nèi)的一些設(shè)備，通過(guò)計(jì)算機(jī)芯片計(jì)算結(jié)果迅速反應(yīng)，以確定佩戴者所處的周邊地理環(huán)境，推測(cè)其下一步的行為指令，以這種方式，代替人腦和生物神經(jīng)，向輔助肢體發(fā)出動(dòng)作命令。在幫助穿著者行走的同時(shí)，還可以提供主動(dòng)扭矩以成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)地形的主動(dòng)適應(yīng)。

2.2 生物仿生技術(shù)用于人體仿生材料

仿生材料與生物、工業(yè)材料在本質(zhì)上的區(qū)別為是否在生理環(huán)境及條件下使用。仿生材料通過(guò)移植生物體內(nèi)的某些具有辨識(shí)度的特性，通過(guò)與人體器官兼容從而在醫(yī)學(xué)層面上應(yīng)用于人體醫(yī)學(xué)研究，比如人體皮膚材料、血液、心臟等。對(duì)于人體皮膚修復(fù)材料來(lái)說(shuō)，天然皮膚修復(fù)和替代材料是通過(guò)仿制生物結(jié)構(gòu)和功能仿生學(xué)而產(chǎn)生的，這實(shí)際上是一種非常流行的仿生組織工程皮膚。

從材料科學(xué)和工程學(xué)的角度來(lái)看，人體組織可以被認(rèn)為是細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的天然復(fù)合物。隨著組織工程的發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)材料面臨新的挑戰(zhàn)，不僅要求生物材料具有生物安全性和生物相容性，還會(huì)在植入人體后，誘導(dǎo)血管和神經(jīng)的黏附，增殖，分化和生長(zhǎng)，這意味著模仿組織工程材料。遵循仿生材料的皮膚、仿生組織工程皮膚的發(fā)展經(jīng)歷了三代，第一代是單層（皮膚層或真皮）皮膚修復(fù)和替代材料，第二代是雙層皮膚修復(fù)與替代材料，第三代是具有輔助成分的皮膚復(fù)合物，例如毛囊和汗腺。在實(shí)際臨床試驗(yàn)中，通過(guò)一系列特殊的物理、化學(xué)和生物技術(shù)對(duì)豬皮進(jìn)行臨床試驗(yàn)，去除細(xì)胞等抗原成分。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適用于生物降解的生物相容性人造皮膚材料可用于臨床實(shí)踐。

生物仿生技術(shù)用于人體仿生材料最重要也最普遍的一個(gè)領(lǐng)域就是人工耳蝸，在一定的情形下，生物仿生技術(shù)可以和基因技術(shù)共同作用來(lái)改善人的聽(tīng)力狀況。一般如果一個(gè)人聽(tīng)力受損極大是由于耳蝸的聽(tīng)力神經(jīng)和細(xì)胞受損，而通過(guò)仿生人體耳蝸的人工耳蝸可以通過(guò)釋放出的電極來(lái)模擬聽(tīng)力神經(jīng)，目前該技術(shù)雖然還沒(méi)有完全應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)，但是為今后基因技術(shù)與仿生技術(shù)結(jié)合治療仿生耳朵奠定了方向，也為今后仿生材料的發(fā)展提供了一個(gè)研究方向。

2.3 納米仿生學(xué)的應(yīng)用

仿生學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域是使用納米技術(shù)的納米生物學(xué)。在原子或分子水平上使用微小的電路和材料，可以有效地靶向身體組織，并且可以朝著小型化發(fā)展仿生學(xué)。納米仿生技術(shù)將有助于下一代仿生耳的發(fā)展，納米電極可以改善植入物與神經(jīng)的連接。同樣，納米生物學(xué)用于幫助修復(fù)脊髓損傷或其他神經(jīng)損傷。植入的納米級(jí)材料，例如碳納米管，可用于促進(jìn)受損神經(jīng)的再生，同時(shí)指導(dǎo)其生長(zhǎng)。

然而由于納米技術(shù)的準(zhǔn)確性，DNA納米結(jié)構(gòu)可用于各種病原微生物、腫瘤標(biāo)志物、遺傳變異和其他相關(guān)指標(biāo)的早期診斷和高靈敏度檢測(cè)。先進(jìn)的診斷方式至關(guān)重要，通過(guò)研究和制備攜帶特定藥物的納米結(jié)構(gòu)載體，定量釋放靶向部位的緩釋藥物，以解決癌癥轉(zhuǎn)移或治療其他重大疾病。盡管DNA納米技術(shù)正在迅速發(fā)展，但它仍處于發(fā)展的早期階段，并面臨許多挑戰(zhàn)，例如DNA合成，其合成成本也很高，要想實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就必須進(jìn)行體內(nèi)安全性評(píng)估，細(xì)胞攝取效率等，這一系列活動(dòng)也面臨較高昂的成本費(fèi)用。隨著科學(xué)的發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)室到臨床實(shí)踐的DNA納米技術(shù)之路廣闊但是又相當(dāng)曲折，既存在困難也充斥著光明，目前，仿生納米技術(shù)雖然有了一定的發(fā)展，但是其是否安全，是否能合理應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)還是一個(gè)值得探究的課題。

3 生物仿生技術(shù)未來(lái)的發(fā)展

在國(guó)外，仿生智能技術(shù)是進(jìn)行康復(fù)醫(yī)療、人工材料研究的熱點(diǎn)，而目前國(guó)外針對(duì)生物仿生技術(shù)的相關(guān)研究比較廣泛也比較深入，而我國(guó)在這方面的研究和應(yīng)用發(fā)展比較晚，研究還相對(duì)滯后。目前，生物仿生智能技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用如果想得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，還需要解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即行為仿生學(xué)和控制仿生學(xué)。前者是使智能假肢具備自然肢體的物理能力，使康復(fù)用品的輔助性能比普通假肢更接近真肢；后者使智能假肢系統(tǒng)的動(dòng)作能夠更加便捷，具有識(shí)別人體意圖的能力，并且能夠主動(dòng)適應(yīng)外部一些自然地理?xiàng)l件的變化。為了解決這些核心技術(shù)難題，必須要加強(qiáng)各學(xué)科之間的研究與合作，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新支持來(lái)大力扶持和發(fā)展生物仿生這一新型高科技技術(shù)的研究發(fā)展與應(yīng)用，利用人工智能技術(shù)提高醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

而仿生醫(yī)學(xué)材料的發(fā)展就更加復(fù)雜，這一材料的發(fā)展涉及許多尖端學(xué)科和高科技領(lǐng)域，比如材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、細(xì)胞學(xué)、工程學(xué)、仿生學(xué)和生物技術(shù)等，如果仿生醫(yī)學(xué)材料可以得到長(zhǎng)足穩(wěn)定發(fā)展，它將會(huì)具有巨大的應(yīng)用前景和社會(huì)效應(yīng)。在我國(guó)，雖然仿生醫(yī)學(xué)材料的臨床應(yīng)用還處于起步階段，其相應(yīng)的研究工作也需要多方面學(xué)科的共同輔助，還有很長(zhǎng)的一段路走，但是其未來(lái)的發(fā)展前景也是相當(dāng)廣闊的。

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2095－6835（2019）03－0154－02

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.154

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕