人類受蒼耳屬植物啟發(fā)，發(fā)明了尼龍搭扣。（左：蒼耳屬植物;右：尼龍搭扣）

外科手術(shù)中為傷口縫線需要醫(yī)生精細(xì)的操作

通過模仿魚鰭，人類發(fā)明了船槳;通過觀察蒼耳屬植物，人類發(fā)明了尼龍搭扣;仿照水母耳朵（水母觸手上的器官，可檢測到次聲波）的結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家設(shè)計出了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀……這些都是仿生學(xué)的例子。仿生學(xué)是一門利用或模仿生物學(xué)原理來尋找創(chuàng)新解決方案的新興科學(xué)。

最近，一些新的仿生材料登上了舞臺，在生活和醫(yī)療等方面為人們提供了便利。

受鼻涕蟲啟發(fā)的醫(yī)用黏合劑

幼兒小手指血管直徑僅有0.3毫米，這樣的手術(shù)動輒就得十幾個小時。這要求外科醫(yī)生不僅要有繡花姑娘的心靈手巧，而且要有馬拉松運(yùn)動員的毅力。為了練就這項(xiàng)技能，外科醫(yī)生需要利用小白鼠練習(xí)縫合5000針，才能積累足夠的經(jīng)驗(yàn)為患者操刀。然而，包括手術(shù)縫線在內(nèi)，使用傳統(tǒng)的機(jī)械式傷口閉合設(shè)備（如回形釘或鉚釘），往往會對傷口周圍組織造成傷害，并需第二次手術(shù)將其取出。

現(xiàn)今醫(yī)學(xué)界盡量以微創(chuàng)手術(shù)來取代體外循環(huán)心臟手術(shù)，以降低出現(xiàn)并發(fā)癥的風(fēng)險。但是，要在心臟跳動、血液流動的情況下縫合細(xì)小的組織，實(shí)在是很大的挑戰(zhàn)。過去，科學(xué)家設(shè)想用“膠水”黏合傷口來代替針線縫合，但目前用于傷口修復(fù)的黏合劑大多對細(xì)胞有毒，或存在黏合不牢固或無法黏附在濕潤表面上的問題。

為了提高外科醫(yī)生縫合傷口的效率，減輕患者的痛苦，加快傷口恢復(fù)過程，科學(xué)家受鼻涕蟲（蛞蝓）分泌的黏液的啟發(fā)，研發(fā)出了能夠取代縫線，并能在濕潤且動態(tài)的環(huán)境中把兩個表面牢牢黏在一塊的組織黏合劑——“蛞蝓強(qiáng)力膠”。

其貌不揚(yáng)的歐洲紅蛞蝓是一種常見于歐洲大陸林地的鼻涕蟲。歐洲紅蛞蝓在受到威脅時，會分泌一種橙色的黏液來覆蓋其身體表面。這種黏液中的黏性蛋白質(zhì)會快速凝固。在黏液的包裹下，歐洲紅蛞蝓牢牢地黏附在巖石等表面。這讓它們的天敵之一——鳥類望而卻步。鳥類如果貿(mào)然攻擊，就將面臨喙部如同被口香糖黏住的窘境。而且，即使是非常潮濕的巖石表面，歐洲紅蛞蝓也能利用黏液緊緊地貼合在上面。

歐洲紅蛞蝓

根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)可貼幾乎不能牢固地貼在濕潤的皮膚上。而在外科手術(shù)中，要黏合人體內(nèi)部的傷口則是一個更大的挑戰(zhàn)。

用外科手術(shù)膠水代替針線，通常是為了避免傷口部位二次受損或感染，同時還可降低手術(shù)材料成本，并加快傷口愈合過程，縮短患者住院時間。人體70%的成分都是水，細(xì)胞外液包裹著組織和器官，同時調(diào)節(jié)著身體的各種功能。黏合劑要在濕潤的人體內(nèi)環(huán)境中發(fā)揮作用，就必須能適用于組織器官濕潤的表面，且不會刺激人體產(chǎn)生排異反應(yīng)，同時還必須能承受人體因運(yùn)動拉扯傷口表面而為黏合劑帶來的張力，還不能溶于水。

沙堡形成的堅硬礁石，能抵御海浪的沖擊

密集的管狀“小房間”緊密地排列在一起

受歐洲紅蛞蝓的防御黏液啟發(fā)而誕生的“蛞蝓強(qiáng)力膠”是一種水凝膠，因?yàn)槠渲械酿ば匀芤褐泻信c蛞蝓黏液相似、帶正電的蛋白質(zhì)，而這些正電荷會吸引帶負(fù)電荷的組織，所以可在兩個表面之間形成牢固的結(jié)合，從而使兩個物體牢牢地黏在一起。與其他外科手術(shù)膠水相比，需要用額外3倍的力量才能打破“蛞蝓強(qiáng)力膠”的黏合。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家用“蛞蝓強(qiáng)力膠”來修補(bǔ)一顆體外豬心臟上的傷口。待“蛞蝓強(qiáng)力膠”凝固穩(wěn)定后，這枚心臟被充血和放血數(shù)千次，仍保持密封和完整，完全沒有滴漏血液，并且心肌也隨著泵血而正常地動態(tài)拉伸。

對于當(dāng)前大多數(shù)醫(yī)用膠水來說，要在液體環(huán)境中發(fā)揮作用是極具挑戰(zhàn)性的。普通膠水的黏力不夠大，“502”膠水的黏合能力在干燥的表面上非常好，但其凝固后比較硬、有毒，關(guān)鍵是不具有生物相容性，因此不適合用來修補(bǔ)跳動的心臟或破裂的血管等人體組織。而“蛞蝓強(qiáng)力膠”在濕潤環(huán)境中仍具有強(qiáng)大的黏附性。只要有破損的地方，無論是在心臟、血管上，還是在皮膚、軟骨上等，幾乎都可以被它黏合起來。

實(shí)驗(yàn)證明，“蛞蝓強(qiáng)力膠”具備良好的生物相容性和可降解性?？茖W(xué)家把人體細(xì)胞移植到強(qiáng)力膠中，24小時后他們發(fā)現(xiàn)這些細(xì)胞依然保留原有的生物活力和功能，說明強(qiáng)力膠對人體組織細(xì)胞沒有毒性。“蛞蝓強(qiáng)力膠”也很容易降解?？茖W(xué)家在實(shí)驗(yàn)中用“蛞蝓強(qiáng)力膠”修補(bǔ)了一只大鼠破損的肝臟（體內(nèi)），結(jié)果大鼠不但沒有產(chǎn)生排異反應(yīng)，也未發(fā)生與其他組織粘連的情況，而且在傷口愈合后一段時間內(nèi)，“蛞蝓強(qiáng)力膠”已經(jīng)在其體內(nèi)消失殆盡，根本無須再次手術(shù)將其取出。

歐洲紅蛞蝓在受到威脅時，會分泌黏液并把自身牢牢地粘在棲息處表面

“蛞蝓強(qiáng)力膠”使用方便，對人體無毒無害，其良好的生物降解能力也使其成為對環(huán)境更友好的選擇。而且，由于其結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)，所以價格也十分合理?？茖W(xué)家很看好這種物美價廉的醫(yī)用補(bǔ)丁，相信它會受到廣大患者和外科醫(yī)生的青睞。

小小的沙堡蠕蟲從自己的“小房間”中探出腦袋

沙堡蠕蟲

向沙堡蠕蟲學(xué)習(xí)醫(yī)用的黏合劑

現(xiàn)代建筑物離不開水泥和鋼筋，而沙堡蠕蟲則是海岸線上的建筑師。它們以沙粒和貝殼碎片作“鋼筋”，以自己分泌的黏液作“水泥”，來筑建它們在潮間帶上的安身之所。漲潮時，沙堡蠕蟲從管道狀的“房間”中出來覓食，退潮時它們又回到“房間”中躲避天敵。群居的沙堡蠕蟲聚集在一起，無數(shù)個管狀房間連成直徑長數(shù)米堅硬無比的礁石——“沙堡”。

“沙堡”在水中形成，能抵御海浪強(qiáng)烈的沖擊?？茖W(xué)家參考沙堡的這些特性，研發(fā)出一種液態(tài)預(yù)聚合物，在紫外線的照射下能迅速聚合、凝固，從而迅速修補(bǔ)傷口。把這種神奇的膠水涂在需修補(bǔ)的血管或組織上，輔以紫外光照射使其聚合，便能形成富有彈性、防水、能自然降解的補(bǔ)丁?？茖W(xué)家在一顆豬心上做過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)即使通過腎上腺素大大提高其心跳，劇烈拉伸的心肌也沒能讓這種神奇的膠水補(bǔ)丁破損。科學(xué)家很看好這種黏合劑，并認(rèn)為在不久的將來就能將其運(yùn)用到外科手術(shù)中。

受豬籠草啟發(fā)的潤滑劑

自然界的生物不單給了科學(xué)家在如何更好地黏附方面的靈感，也給他們實(shí)踐“反黏附”帶來了莫大裨益。

豬籠草是一種主要生長在亞洲的植物，以捕食昆蟲維生。它的捕蟲籠內(nèi)壁非常光滑，當(dāng)昆蟲被蜜汁吸引爬進(jìn)捕蟲籠，便只能一去不復(fù)返，在籠底部被消化液活活腐蝕而死。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，捕蟲籠內(nèi)壁有一層粗糙帶孔的微型結(jié)構(gòu)，讓水分子可以完全滲入其中，形成一層完美的光滑平面，昆蟲帶油的腳沒法在這樣的表面站穩(wěn)。

這種微型結(jié)構(gòu)與現(xiàn)今常用的防水物料有截然不同的原理。科學(xué)家之前從荷葉得到啟發(fā)，發(fā)現(xiàn)了“荷葉效應(yīng)”：水珠很容易在荷葉表面滾動，原因是葉面上有很多突出物，突出物上有大量絨毛;當(dāng)水珠掉落時，接觸到的就是這些突出物和夾帶的空氣，而不是真的落在荷葉表面。模仿“荷葉效應(yīng)”中固體和氣體相結(jié)合的界面條件，科學(xué)家制造出了防水材料。

豬籠草則采用固體和液體相結(jié)合的界面，來使其內(nèi)壁更加光滑，以至于幾乎沒有東西能在上面停留。科學(xué)家運(yùn)用這個原理，制造出一種注液帶孔光滑材料。這種材料表面由兩部分組成：一是滿布納米或微米大小細(xì)孔的基礎(chǔ)框架材料，二是能完美滲入這些細(xì)孔且不溶于水的潤滑液。

（左圖）荷葉表面有許許多多的蠟狀突起，就像給荷葉鋪上了一層保護(hù)膜，能抵擋任何液體的入侵。（右圖）可憐的蜜蜂落入了豬籠草中，再也出不來了

藤壺等海洋生物粘滿船底，導(dǎo)致船舶燃料增耗40%，并縮短船舶的使用壽命

這種材料有不少卓越的特性：第一，它耐水、耐酸、耐堿、耐有機(jī)溶劑;第二，它的表面極其光滑，只需傾斜2.5度，其表面上的液體便會自動滑落;第三，它能承受680個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓強(qiáng)（相等于在海平面下約7000米處的壓強(qiáng)）。

這種材料的用途廣泛。例如，用于遠(yuǎn)洋貨輪的底部，可以阻止貝類生物黏在船底，減小船只航行時的阻力，從而節(jié)省燃料。也可用在餐具表面，讓油類等黏附性強(qiáng)的液體完全不會附著在餐具表面，那就一滴油都不會浪費(fèi)了。

大自然就是科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室，它蘊(yùn)藏著無窮的珍寶，其中有些看來毫不起眼，但可以成為新發(fā)明的觸發(fā)點(diǎn)。仿生學(xué)不僅是一門學(xué)科，而且是人們對大自然深刻的理解。從復(fù)制自然產(chǎn)物到學(xué)習(xí)其生產(chǎn)過程，仿生學(xué)還能為我們帶來什么樣的驚喜？讓我們拭目以待。